Небольшой поворот создаёт гигантские магнитные скирмионы в 2D-кристаллах

Простой поворот между 2D-магнитами может порождать гигантские топологические магнитные вихри с большими перспективами для будущих энергоэффективных технологий. Автор: AI/ScienceDaily.com

В быстро развивающейся области двумерных материалов даже небольшой угловой сдвиг между слоями может кардинально изменить свойства материала. Учёные ранее обнаружили, что при сложении атомарно тонких кристаллов с небольшим угловым несовпадением их электронные свойства могут трансформироваться. Этот подход, известный как муаровый инжиниринг, стал ключевой стратегией для создания новых форм квантовой материи.

Теперь исследователи сообщают в журнале Nature Nanotechnology, что магнетизм также может вести себя неожиданным образом в таких условиях. В скрученных антиферромагнитных слоях магнитные спиновые структуры не ограничиваются маленькой повторяющейся муаровой ячейкой. Вместо этого они могут распространяться в гораздо более крупные топологические структуры, простирающиеся на сотни нанометров.

Команда исследовала скрученный двойной бислой трийодида хрома (CrI₃) с помощью сканирующей магнитометрии на основе азотных вакансий — метода, который визуализирует магнитные поля с нанометровой точностью. Они наблюдали магнитные текстуры, достигающие расстояний до ~300 нм, что намного превышает размер одной муаровой ячейки и примерно в десять раз больше её длины волны.

Результаты выявили неожиданную закономерность. Когда угол скручивания уменьшается, длина муаровой волны увеличивается. Однако магнитные текстуры не просто растут вместе с ней. Вместо этого их размер меняется противоположным образом, достигая максимума около 1,1° и исчезая выше ~2°.

Этот переворот показывает, что магнетизм не просто копирует муаровый шаблон. Скорее, он возникает из баланса нескольких конкурирующих сил, включая обменные взаимодействия, магнитную анизотропию и взаимодействия Дзялошинского–Мории. Все они тонко регулируются тем, как слои повёрнуты относительно друг друга. Крупномасштабное моделирование спиновой динамики подтверждает эту интерпретацию, демонстрируя формирование протяжённых антиферромагнитных скирмионов неэлевского типа, охватывающих несколько муаровых ячеек.

Эти открытия важны не только для фундаментальной физики. Скирмионы перспективны для будущих информационных технологий, поскольку они малы, стабильны и защищены своей топологией. Их также можно перемещать с очень малыми затратами энергии. Создание их простой регулировкой угла скручивания, без литографии, тяжёлых металлов или сильных электрических токов, открывает чистый и управляемый геометрией путь к созданию энергоэффективных спинтронных устройств.

Исследователи описывают это явление как супер-муаровый спиновый порядок, подчёркивая, что инжиниринг скручивания работает на множестве масштабов. Изменение атомного выравнивания может генерировать топологические структуры на гораздо больших, мезоскопических расстояниях. Это бросает вызов давней идее о том, что муаровая физика является лишь локальным эффектом, и позиционирует угол скручивания как мощный термодинамический контрольный параметр, способный настраивать обменные, анизотропные и киральные взаимодействия для стабилизации топологических фаз.

С практической точки зрения, эти крупные и устойчивые скирмионные текстуры неэлевского типа хорошо подходят для интеграции в устройства. Их больший размер облегчает их обнаружение и управление ими. В то же время их топологическая защита и изолирующий материал-хост предполагают чрезвычайно низкие потери энергии во время работы.

Доктор Элтон Сантос, руководитель группы по теоретической/вычислительной физике конденсированного состояния в Эдинбургском университете, чья команда руководила моделированием в проекте, сказал:

«Это открытие показывает, что скручивание — это не просто электронная ручка настройки, но и магнитная. Мы видим, как коллективный спиновый порядок самоорганизуется в масштабах, далеко выходящих за пределы муаровой решётки. Это открывает дверь для проектирования топологических магнитных состояний просто путём контроля угла, что является удивительно простым инструментом с глубокими практическими последствиями».