Моносилицид марганца MnSi является модельным объектом для спинтроники — раздела квантовой электроники, исследующего возможности управления током электронов с поляризованными спинами (привычные нам радиоэлектронные приборы работают с неполяризованными носителями заряда). Устройства спинтроники, использующие устойчивые магнитные состояния как бит информации, могут стать основой для создания более быстрых и компактных процессоров с низким энергопотреблением, а также быструю и надежную энергонезависимую память. Именно поэтому ученые уделяют пристальное внимание изучению электрических и магнитных свойств материалов с экзотическими магнитными структурами.
Теоретики пока не могут полностью объяснить необычные магнитные свойства моносилицида марганца. Например, при очень низких температурах (примерно -245ºС) внутри кристалла MnSiвнешнее магнитное поле «закручивает» спины электронов в сложную структуру из периодически расположенных миниатюрных магнитных вихрей — скирмионов. Структура, образованная вихрями, напоминает пчелиные соты, размер ячейки которых равен 18 нм. Согласно теории, такие структуры — скирмионные решетки — могут быть устойчивы только в двумерном случае (в тонких пленках), однако экспериментально решетки скирмионов наблюдаются и в монокристаллах MnSi высокого качества.
Для того, чтобы использовать скирмионы в практических целях, необходимо понять, состоит ли периодическая магнитная структура из отдельных вихрей (смотрите рисунок), которые можно рассматривать независимо друг от друга, или образуется более сложная, зависящая от направления кристалла магнитная структура, которую нельзя разделить на отдельные вихри.
Рис. a) Скирмионы — магнитные вихри, названные в честь британского физика Тони Скирме. Они представляют из себя особые образования из векторов намагниченности: в центре вектор ориентирован перпендикулярно поверхности, а по краям они образуют структуру, напоминающую вихрь . Вектор намагниченности связан с взаимным расположением электронных спинов (квантовой характеристикой элементарных частиц) отдельных атомов.
b) Периодическая вихревая магнитная структура в моносилициде марганца MnSi.
Источник изображения: Y. Nii, T. Nakajima, A. Kikkawa… Uniaxial stress control of skyrmion phase. Nature Communications
В исследовании, опубликованном в журнале ScientificReports, входящем в группу Nature, ученые из МФТИ и ИОФ РАН сумели измерить удельное сопротивление объемного моносилицида марганца с очень высокой точностью (~ 10-9Ом*см) в зависимости от температуры и направления магнитного поля.
Как отмечает один из авторов работы, доктор физико-математических наук Владимир Глушков, — «В магнитных металлах рассеяние носителей зависит от ориентации магнитной структуры относительно кристаллической решетки и, как правило, сильно анизотропно. Если же моменты закручены в вихри, то за счет их большого числа (поперечное сечение вихря насчитывает более 200 магнитных моментов) и изменения их направления связь между магнитной и кристаллической структурами может быть потеряна. Поэтому эксперимент по измерению угловых зависимостей сопротивления магнетиков позволяет получить информацию об анизотропии системы, недоступную в прямых структурных исследованиях».
Эксперимент показал, что в определенной области параметров температура-магнитное поле, удельное сопротивление MnSi в состоянии с магнитными вихрями действительно не зависит от направления магнитного поля в отличие от других магнитных состояний (конического и однородно намагниченного). При этом данная область оказывается окруженной другой скирмионной фазой, обладающей заметной анизотропией.
«Наш эксперимент выявил четкую границу между двумя различными состояниями скирмионной фазы»,— считает профессор Сергей Демишев.«На простом языке этот экспериментальный факт означает, что у MnSiсуществует два типа скирмионных решеток, имеющих различную физическую природу. Область с изотропным сопротивлением отвечает скирмионной решетке, образовавшейся в результате конденсации индивидуальных магнитных вихрей, а окружающий ее карман, вытянутый в направлении H||[001] — сложной анизотропной магнитной фазе, которая не может распадаться на отдельные квазичастицы — скирмионы. Наблюдение скирмионной решетки, состоящей из одиночных вихрей, подтверждает глубокую аналогию со сверхпроводниками второго рода, смешанное состояние которых образовано вихрями Абрикосова.»
С практической точки зрения одиночные скирмионы можно использовать для передачи и хранения информации и реализации различных логических операций. Магнитные вихри в существующих специально приготовленных пленочных структурах — наностолбиках, во-первых, имеют существенно большие размеры, а во-вторых, возникают в результате специфической моды магнитных колебаний в ограниченной пространственной области. Поэтому спинтроника, основанная на использовании индивидуальных квазичастиц — скирмионов, открывает новые перспективы для миниатюризации устройств и позволяет снизить управляющие токи. Теперь дело за малым: физикам осталось найти материалы, аналогичные высокотемпературным сверхпроводникам, в которых миниатюрные магнитные вихри будут устойчивы при комнатных температурах.
