Ein Paar Skyrmion-Antiskirmion als mögliche Zukunft der Datenspeicherung



    Moderne Technologie erscheint uns alltäglich und vertraut. Der bloße Gedanke an solche Dinge vor etwa 50 Jahren schien jedoch etwas unwirklich und futuristisch. Heutzutage haben solche Epitheta ihre Popularität behalten, denn Wissenschaftler erweitern immer noch die Grenzen unseres Verständnisses der Welt.

    Die Zukunft der Informationstechnologien hängt nicht nur von der Verbesserung der vorhandenen Komponenten dieses integralen Teils des menschlichen Lebens ab, sondern auch von der Suche nach neuen Materialien, Techniken, Techniken und anderen Dingen. Heute beschäftigen wir uns mit einer sehr kuriosen Studie über magnetische Skyrmions und Anti-Scyrmions. Was ist es, warum ist es so und wie kann sich IT in Zukunft verbessern? Für die Antworten tauchen wir in den Bericht der Wissenschaftler ein. Lass uns gehen.

    Was ist ein magnetischer Skyrmion?

    Zunächst sei daran erinnert, dass sich die Atome magnetischer Materialien mit ihrem eigenen magnetischen Moment des Elektrons in einfachen Worten wie Magnete verhalten. Wenn Materie magnetisiert wird, richten sich die Spins von Atomen auf eine bestimmte Art und Weise aus, was diese Substanz zu einem Magneten macht.

    Im Jahr 2009 entdeckten die Forscher ein sehr faszinierendes Merkmal einzelner Atome. Ihr Rücken kräuselte sich zu Trichtern (Wirbelstürmen). Eine solche Struktur hieß Skyrmion zu Ehren des britischen Physikers Tony Skyrme, der bereits 1962 ein mathematisches Modell von Wirbelspins beschrieb.


    Bild a - Skyrmion "Igel", b - spiralförmiger Skyrmion.

    Eine der wichtigsten IT-Funktionen von Skyrmions ist ihre topologische Stabilität. Die Quintessenz ist, dass jede Störung die Richtung der Spins ändern kann, die Verdrehung jedoch gleich bleibt. Somit ist es möglich, Informationen in binärer Form zu speichern: 0 - es gibt keinen Skyrmion, 1 - es gibt einen Skyrmion. Angesichts der Größe solcher Strukturen im Nanometerbereich kann auch die Dichte der Informationsspeicherung erheblich zunehmen.

    Als Ergebnis dieser Informationen wurde auch von der Existenz von Anti-Scyrmiones ausgegangen, deren topologische Ladung normalen Skyrmionen entgegenstehen würde.

    Zweidimensionale Spinstrukturen haben eine nicht triviale Topologie, die für ihre spezifische Stabilität verantwortlich ist. Solche Strukturen sind durch topologische Ladung gekennzeichnet:



    wobei m = m (r, t)Dies ist der Richtungsvektor der magnetischen Momente in Zeit und Raum.

    Skyrmionen (q = 1 ) und Anti-Scyrmions ( q = -1 ) haben entgegengesetzte Ladungen und können paarweise auftreten, wenn eine gleichmäßige Zustandsverformung auftritt ( q = 0 ). Die Beschreibung der Dynamik von Skyrmionen und Anti-Skirmions kann angenähert werden, wenn der Kern als stationär betrachtet wird, wodurch die erforderliche Anzahl von Variablen zur Beschreibung ihrer Bewegung reduziert wird.

    Die nachstehende Formel beschreibt die gedämpfte gyrotrope Bewegung der Position des Kerns (X) von Skyrmionen und Anti-Scyrmions als Reaktion auf die ausgeübte Kraft (F):


    G, gleich -qG0z, ist ein Gebäudevektor;
    α ist die Dämpfungskonstante;
    D0 ist ein struktureller Faktor.


    Die Dynamik in der obigen Gleichung ist nicht-Newtonsch, und daher hängt die gyrotropische Antwort von q ab und bestimmt die Richtung, in die sich der Kern bewegt.

    Forschungsbasis

    In ihrer Studie beschreiben Wissenschaftler die Dynamik von Skyrmionen und Anti-Scyrmions in ultradünnen ferromagnetischen Filmen. Das Auftreten von Spinorbitalmomenten, die zum Auftreten von trochoidalen Bewegungen und der Erzeugung eines Skyrmion-Anti-Scyrmion-Paares führen können, wurde nachgewiesen. Eine solche Dynamik wird durch die Verformung des Kerns verursacht, die wiederum zu einer zeitabhängigen Helizität führt, die die Bewegung des Kerns des Skyrmions und des Anti-Skyrmions steuert.


    Beispiel für trochoidale Bewegung (langgestreckte Zykloide)

    Mithilfe von Simulationen von Atomspins, Vorhersagemodellierung mit der Reduktion von Variablen und Algorithmen für maschinelles Lernen wurde ein dynamisches Phasendiagramm berechnet, das vorhersagt, wie Spin-Orbit-Momente die Bewegungsart steuern können und durch die Einführung von Skyrmion-Arrays zur Bildung von Skyrmion-Arrays führen.

    Simulationen der Dynamik von Atomdrehfeldern


    Bild №1

    Grundlage der Studie waren ein Substrat aus einem normalen Metall und einer Schicht aus ferromagnetischem Übergangsmetall (Bild 1a ). Ein Beispiel für eine solche Substanz ist die PdFe / Ir (111) -Legierung , in der der persistierende antisymmetrische Austausch in der Eisen ( Fe ) -Monoschicht durch eine Interphasenbindung mit einer starken Spin-Orbit-Wechselwirkung in einem Iridiumsubstrat verursacht wird (Ir ). Dadurch können einzelne Skyrmionen in einem metastabilen Zustand existieren.

    Es wurde auch gefunden, dass Anti-Scyrmion-Zustände auch metastabil sein können, wenn frustrierte Austauschwechselwirkungen in dünnen Filmen oder einer Hauptprobe berücksichtigt werden.

    Bild 1b zeigt, dass die üblichen und antisymmetrischen Austauschwechselwirkungen eine sechsfache Symmetrie aufweisen, die mit der Oberfläche von Iridium zusammenhängt. Wenn die Stärke der Wechselwirkung mit dem antisymmetrischen Austausch reduziert wird, kann ein Gleichgewichtszustand für Skyrmionen ( 1c ) und Anti-Skyrmionen ( 1d ) erreicht werden.

    Die Forscher stellen fest, dass der intraplanare Strom durch ein ferromagnetisches Metall und ein Substrat aus normalem Metall fließen muss. In diesem Fall fließt jedoch der größte Teil des Stroms nur durch das Iridiumsubstrat, da der spezifische Widerstand der Schicht für ultradünne Ferromagnete viel höher ist.

    1e stellt die hexagonale Gitterstruktur und die Richtung der antisymmetrischen Austausch-Interaktionsvektoren dar, die zur Aufrechterhaltung des antiskirmalen Zustands verwendet wurden.

    1f ist der Gleichgewichtszustand eines Skyrmions mit antisymmetrischer Austauschwechselwirkung, und das 1g- Bild zeigt den Gleichgewichtszustand eines Anti-Skyrmions mit antisymmetrischer Austauschwechselwirkung.

    Spin-Dynamik und Bildung eines Paares von Skyrmion-Anti-Scyrmion


    Bild Nr. 2

    Bild 2a zeigt Änderungen der Durchschnittsgeschwindigkeit 〈v von Skyrmionen und Anti-Scyrmions als Funktion des Spinorbitmoments, wobei β FL = β DL . Für Anti-Scyrmiones wurden drei Ausbreitungsmodi definiert: lineare Bewegung bei geringem Strom, abgelenkte Bewegung bei mittlerem Strom und Trochoidenbewegung bei hohem Strom.

    Es ist zu beachten, dass die Rate der Anti-Scyrmions nicht parallel zum Spinorbit-Moment zunimmt, wie dies bei Skyrmions der Fall ist.

    Berechnungen des Verhaltens von Skyrmionen machten es möglich, eine Annahme bezüglich der Bewegungsbahn von Anti-Scyrmions zu treffen, wie in Bild 2b gezeigt. Drei Flugbahnoptionen für die drei Modi. Pfeile geben die Richtung des Bewegungsvektors an.

    Der moderne Abstraktionismus in Bild 2c ist ein Phasendiagramm von unterschiedlichem Verhalten für verschiedene Werte und Verhältnisse β FL (Kraft des Felddrehmoments) und β DL (Kraft des "gedämpften" Drehmoments). Dank maschineller Lernalgorithmen wurden drei Haupttypen von Trajektorien (linear, abweichend und trochoidal) identifiziert, die einen weiten Bereich von Geschwindigkeiten und Ausbreitungsrichtungen abdecken.

    Trochoide und abgelehnte Flugbahnen entstehen durch die Deformation des Kerns des Anti-Skyrmion. Es ist die trochoide Flugbahn, die mit einem sehr breiten Wertebereich des Spinorbitmoments auftritt.


    Bild 3a

    Die Deformation des Kerns wird durch das Auftreten der dynamischen Variablen ψ (t) charakterisiert , die die Helizität des Skyrmions und des Anti-Skyrmions bezeichnet (Bild 3a , wobei q = 1 Skyrmionen und q = -1 Anti-Scyrmionen sind).

    Die Variable ψ für Skyrmionen beschreibt einen kontinuierlichen Übergang zwischen den Zuständen von Bloch und Neel entgegengesetzter Chiralität und für Anti-Skyrmionen die Drehung der Achsen von Bloch und Neel.

    In dem von den Forschern geschaffenen System beruht die Verformung des Kerns auf dem Spin-Orbit-Moment, das zu einer Verkippung der Magnetisierung in der Filmebene führt, die durch die Amplitude η und den Azimut ϕ t charakterisiert wird .

    Für externe Spins ist die Steigung der gleiche die ganze Zeit , aber es ändert sich innerhalb antiskirmiona Kern, auf dem je ip .

    Es wurde festgestellt, dass mit einem kleinen β FL und einem großen β DL ein neuer dynamischer Zustand entsteht, der zur Bildung eines Skyrmion-Anti-Scyrmion-Paares führt. Wenn das Anti-Skyrmion seine trochoide Flugbahn durchläuft, wird es von einer starken Deformation (Dehnung des Zellkerns) begleitet. Dies ist in Bild 4a zu sehen (speziell bei t = 3 ps). Des Weiteren wird diese Dehnung, die ein Paar aus Skyrmion und Anti-Skirmion darstellt, vom Kern selbst getrennt.


    Bild Nr. 4

    In Bild 4bDie Dichte der topologischen Ladung dieses Prozesses wird gezeigt. Die Existenz eines Paares ist jedoch nicht dauerhaft. Im Laufe der Zeit beginnt das Paar zu zerfallen, da die Momente der Spinbahn den Skyrmion und den Anti-Skyrmion zwingen, sich in verschiedene Richtungen zu bewegen. Der Skyrmion bewegt sich vom Punkt der Paarbildung aus auf einem linearen Pfad. Die Antischüttelung beginnt sich entlang der Trochoidenbahn zu bewegen, was zur Bildung eines neuen Paares führt (Bild 4c ). Dieser Vorgang wird immer wieder wiederholt, was darauf hindeutet, dass aus einem einzelnen Anti-Skyrmion nicht nur ein Paar, sondern viele neue Paare erstellt werden können.

    Antisymmetrische Austauschwechselwirkung

    Zuvor hatten wir bereits gelernt, dass die abgelehnten und trochoiden Flugbahnen nur in Antiskirmionov gefunden wurden. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Barriere der inneren Energie (mit gleicher antisymmetrischer Austauschwechselwirkung, dann AOB) des Skyrmions viel höher ist als die des Anti-Scyrmions. Das heißt, die Asymmetrie zwischen entgegengesetzten topologischen Ladungen hängt von der AOW ab und nicht von der Ladung selbst.


    Dynamik von Skyrmionen und Anti-Skirmions in Abwesenheit von AOW

    Die Bedeutung von AOB ist klarer und einfacher zu zeigen, wenn sie nicht im System vorhanden ist. In diesem Fall werden die Skyrmionen und Anti-Skyrmionen aufgrund der frustrierten Austauschwechselwirkung weiterhin den metastabilen Zustand aufrechterhalten, was zu einem Gleichgewichtszustand führt ( a und bim Bild oben). Es stellt sich heraus, dass das System keine Wechselwirkung zwischen dem Skyrmion und dem Anti-Skyrmion hat, was zur Zerstörung der Zustände von Bloch und Neel führt. Als Ergebnis wird , wie in der Abbildung dargestellt und das Profil ist der einzige Weg , Skyrmion metastabilen Zustand, das Bild zu implementieren , b - antiskirmiona metastabilen Zustand.

    Im Bild mit sehen wir, dass bei entgegengesetzten topologischen Ladungen eine kreisförmige Bewegung mit entgegengesetzter Richtung vorliegt.

    Als Schlussfolgerung ist die Entstehung von Skyrmion-Anti-Scyrmion-Paaren ohne antisymmetrische Austauschwechselwirkung unmöglich.

    Der Bericht der Wissenschaftler enthüllt die Besonderheiten ihrer Forschung viel umfassender, daher empfehle ich sie sehr.

    Bei der Bearbeitung des Materials fand ich eine sehr eindrucksvolle Arbeit "Einführung in Spinmomente und Spinorbitanzmomente in Metallschichten". Vielleicht wird sich jemand als nützlich erweisen, deshalb eine Referenz hinterlassen.

    Nachwort

    Diese Studie zeigte den Wissenschaftlern zufolge eine reiche Dynamik, die in ultradünnen ferromagnetischen Filmen zu verschiedenen Zeitpunkten des Spinorbits möglich ist. Als wichtigste Punkte ihrer Arbeit beschreiben sie den Prozess der Paarbildung (Umkehrung des Wirbelkerns) und den Vergleich von Skyrmionen und anderen Phänomenen des Mikromagnetismus.

    Diese Arbeit wird eindeutig zur Grundlage für weitere Forschungen werden, deren Zweck die Realisierung der Möglichkeit sein wird, die notwendige Orientierung der Oberfläche oder der Schnittstelle für ihre Anpassung an bestimmte dynamische Eigenschaften zu wählen. Dies wird ein neuer Meilenstein in der Materialwissenschaft sein, da bisher nur der quantitativen Bestimmung und Steuerung linearer Bewegungspfade für Speicher und logische Anwendungen auf Basis von Skyrmionen mehr Aufmerksamkeit gewidmet wurde.

    Diese Studie demonstriert die Möglichkeit des Vorhandenseins mehrerer unterschiedlicher Dynamiken gleichzeitig in unterschiedlichen metastabilen Zuständen innerhalb eines einzigen materiellen Systems.

    Infolgedessen können solche Entwicklungen zur Grundlage für die Schaffung neuer Arten von Speicher- und Informationsverarbeitungsgeräten werden, was die größte Revolution in der Welt der Informationstechnologien bedeuten würde.

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