Новый магнитный эффект в скрученных 2D-материалах может стать ключом к сверхплотным накопителям

Международная группа исследователей под руководством Университета Штутгарта обнаружила необычные магнитные свойства в скрученном двумерном трийодиде хрома. Они выявили дальнодействующие спиновые текстуры, которые простираются за пределы базового муарового узора материала. Результаты, опубликованные 2 февраля в журнале Nature Nanotechnology, были получены с помощью наномасштабной магнитной визуализации при криогенных температурах. Это открытие может иметь огромное значение для создания сверхплотных магнитных систем хранения данных.

Скрученные материалы ван-дер-ваальсового типа стали в последние годы основным направлением исследований. Было обнаружено, что небольшие угловые смещения между атомарно тонкими слоями создают муаровые сверхрешётки, которые сильно меняют электронное и магнитное поведение.

Используя сканирующую магнитометрию на основе азотных вакансий, исследователи напрямую визуализировали упорядоченные, точечные магнитные текстуры, охватывающие несколько элементарных ячеек муарового узора. По мере увеличения угла скручивания в узком диапазоне характерный размер этих текстур рос, достигая примерно 300 нанометров при угле около 1,1 градуса, а затем исчезал примерно при двух градусах. Отдельные элементы внутри этих текстур имели размер порядка 60 нанометров.

В отличие от ранее описанных магнитных состояний, «запертых» в муаровом узоре трийодида хрома, эти текстуры не ограничены одной конфигурацией укладки или локальным энергетическим минимумом внутри муаровой решётки. Вместо этого они формируют магнитное состояние более высокого порядка — «супер-муаровое», которое реорганизует магнетизм на большей длине.

Исследователи объясняют это поведение конкуренцией между обменными взаимодействиями, магнитной анизотропией и интерфейсным взаимодействием Дзялошинского–Мории — антисимметричным обменным взаимодействием, возникающим из-за спин-орбитальной связи, которое становится значимым в скрученных бислойных интерфейсах. Когда период муарового узора становится достаточно малым, эти конкурирующие энергии благоприятствуют магнитному упорядочиванию, которое отделяется от геометрического муарового узора, создавая текстуры, охватывающие несколько ячеек.

Антиферромагнитные скирмионы представляют особый интерес, поскольку ожидается, что они подавляют холловский эффект скирмионов. Это свойство может упростить управление движением в будущих спинтронных устройствах, обеспечивая более прямое и контролируемое движение по сравнению с ферромагнитными аналогами. В данной работе учёные показывают, что угол скручивания может служить эффективным параметром для стабилизации таких магнитных состояний в атомарно тонких материалах, изменяя магнитный порядок без изменения состава или количества слоёв.

Как всегда в подобных исследованиях, важно помнить, что работа находится на самой ранней стадии. Измерения проводились при низких температурах, а сам трийодид хрома чувствителен к воздуху и непригоден для прямого использования вне лаборатории. Однако авторы отмечают, что лежащий в основе механизм должен быть применим к другим слоистым магнитным материалам, включая системы с более высокими температурами упорядочивания.

Эта работа также может быть полезна для будущих технологий магнитного хранения данных и углубления понимания магнитных взаимодействий в двумерных системах.

«Поскольку объёмы данных продолжают расти, будущие магнитные носители информации должны надёжно хранить данные при всё более высокой плотности, — сказал профессор Йорг Врахтруп, руководитель Центра прикладных квантовых технологий Университета Штутгарта, в комментарии для Interesting Engineering. — Наши результаты, следовательно, напрямую актуальны для технологий хранения данных следующего поколения».