Международная группа физиков из России, Франции и Тайваня нашла способ уменьшить затраты энергии, необходимые для зарождения магнитных вихрей в спинтронных устройствах. Оказалось, что в системах ферромагнетик-топологический изолятор этот процесс является резонансным, и для максимальной эффективности необходимо просто подобрать определенную частоту и плотность переменного тока. Работа опубликована в журнале Physical Review B.

Магнитные вихри можно представить как особые образования из векторов намагниченности, возникающие в некоторых веществах: в центре вектор намагниченности ориентирован перпендикулярно поверхности, а по краям они образуют структуру, напоминающую вихрь или воронку. Вектор намагниченности связан с взамным расположением электронных спинов (квантовой характеристикой элементарных частиц — собственный момент импульса) отдельных атомов.

В спинтронике планируется использовать процессы движения магнитных вихрей (или спинового переноса) для хранения информации. Например, в зависимости от направления магнитного момента ядра вихря вверх или вниз можно реализовать двоичную запись из нулей и единиц. Для этой же цели можно использовать направления закрученности вихря — по или против часовой стрелки. Но для того, чтобы эффективно управлять характеристиками магнитных вихрей, необходимо понимать, какие именно процессы связаны с их образованием и движением в веществе.

Ранее было показано, что некоторые вещества — топологические изоляторы — способны «замораживать» направление спинов движущихся по своей поверхности электронов. Поэтому в спинтронике ученые предложили использовать комбинированные системы, состоящие из ферромагнетиков — веществ, в которых образуются вихри — и топологических изоляторов, с помощью которых этими вихрями можно управлять. Основная задача, которая стоит с настоящее время перед исследователями — создать достаточно сильный магнитный вихрь в таком устройстве, затратив при этом минимальное количество энергии.

Схема модельного устройства – вверху пластинка ферромагнетика пермаллоя, внизу – топологический изолятор селенид висмута. Изображение: P. N. Skirdkov et al. / Physical Review B, 2015

Для этой цели авторы работы решили провести теоретическое исследование процессов рождения и переноса вихрей за счет переменного радиочастотного тока в такой структуре. Модельное устройство состояло из ферромагнетика пермаллоя (сплава железа и никеля) и топологического изолятора селенида висмута. Расчет авторы проводили с помощью программного пакета SpinPM, разработанного ими же в более ранних работах.

В ходе предварительного моделирования оказалось, что постоянный ток не возбуждает вращение вихрей, а лишь слегка смещает их из равновесного положения. Однако ситуация поменялась при переходе к переменному току с частотами порядка одного гигагерца. Оказалось, что существует некая резонансная частота, при которой радиус образующихся вихрей резко растет. К тому же авторы доказали, что для получения вихрей можно использовать плотности тока в несколько раз меньшие, чем требовались в проводимых ранее экспериментах. Ученые считают, что эффект связан с тем, что переменный ток в такой структуре индуцирует появление вектора вращательного магнитного момента, который и становится причиной образования вихря.

Спинтроника — раздел электроники, в основе которого лежат процессы управления отдельными спинами частиц или магнитных образований. В отличие от других способов записи, требующих электронного переноса, обработка и возбуждение магнитных вихрей требует меньших затрат энергии и времени, что делает устройства на их основе более эффективными и экономичными.

Автор: Екатерина Митрофанова