Moderne Technologien erscheinen uns gewöhnlich und vertraut. Nur vor 50 Jahren über solche Dinge nachzudenken, schien jedoch unrealistisch und futuristisch. In diesen Tagen haben diese Epitheta ihre Popularität behalten, weil Wissenschaftler die Grenzen unseres Verständnisses der Welt immer weiter erweitern.
Die Zukunft der Informationstechnologie hängt nicht nur von der Verbesserung der vorhandenen Komponenten dieses integralen Bestandteils des menschlichen Lebens ab, sondern auch von der Suche nach neuen Materialien, Techniken, Techniken und anderen Dingen. Heute werden wir uns mit einer sehr interessanten Studie über magnetische Skyrmionen und Anti-Skyrmionen befassen. Was ist das, warum ist es und wie kann es die IT in Zukunft verbessern? Um Antworten zu erhalten, tauchen Sie in den Bericht von Wissenschaftlern ein. Lass uns gehen.
Was ist magnetisches Skyrmion?Zunächst sei daran erinnert, dass sich die Atome magnetischer Materialien, die ihr eigenes magnetisches Moment eines Elektrons haben, in einfachen Worten wie Magnete verhalten. Wenn eine Substanz magnetisiert wird, richten sich die Spins der Atome auf eine bestimmte Weise aus, was diese Substanz zu einem Magneten macht.
Im Jahr 2009 entdeckten Forscher ein sehr faszinierendes Merkmal einzelner Atome. Ihr Rücken war zu Trichtern (Wirbeln) verdreht. Eine ähnliche Struktur wurde Skyrmion genannt, zu Ehren des britischen Physikers Tony Skyrme, der bereits 1962 ein mathematisches Modell von Wirbelspins beschrieb.
Bild a - Skyrmion "Igel", b - Spiral Skyrmion.Eines der wichtigsten Merkmale der IT für Skyrmions ist ihre topologische Stabilität. Die Quintessenz ist, dass jede Störung die Richtung der Drehungen ändern kann, aber die Drehung bleibt gleich. So können Sie Informationen in binärer Form speichern: 0 - es gibt kein Skyrmion, 1 - es gibt ein Skyrmion. Und angesichts der Nanometergröße solcher Strukturen kann sich auch die Speicherdichte von Informationen erheblich erhöhen.
Ausgehend von diesen Informationen wurde auch die Existenz von Anti-Skyrmionen angenommen, deren topologische Ladung gewöhnlichen Skyrmionen entgegengesetzt sein wird.
Zweidimensionale Spinstrukturen weisen eine nichttriviale Topologie auf, die für ihre gewisse Stabilität verantwortlich ist. Solche Strukturen zeichnen sich durch eine topologische Ladung aus:
Dabei ist
m = m (r, t) der Richtungsvektor magnetischer Momente in Zeit und Raum.
Skyrmionen
(q = 1 ) und Anti-Skyrmionen (
q = -1 ) haben entgegengesetzte Ladungen und können paarweise auftreten, wenn eine Verformung eines homogenen Zustands auftritt (
q = 0 ). Die Beschreibung der Dynamik von Skyrmionen und Anti-Skyrmionen kann angenähert werden, wenn der Kern als bewegungslos betrachtet wird, wodurch die erforderliche Anzahl von Variablen zur Beschreibung ihrer Bewegung verringert wird.
Die folgende Formel beschreibt die gedämpfte gyrotrope Bewegung der Position des Kerns (X) von Skyrmionen und Anti-Skyrmionen als Reaktion auf die ausgeübte Kraft (F):
G, gleich -qG0z, ist ein Kreiselvektor;
α ist die Dämpfungskonstante;
D0 ist ein Strukturfaktor.Die Dynamik in der obigen Gleichung ist nicht-Newtonsch, und daher hängt die gyrotrope Reaktion von q ab und bestimmt die Richtung, in die sich der Kern bewegt.
ForschungsbasisIn ihrer Studie beschreiben Wissenschaftler die Dynamik von Skyrmionen und Anti-Skyrmionen in ultradünnen ferromagnetischen Filmen. Das Auftreten von Spin-Orbital-Momenten wurde entdeckt, was zum Auftreten einer Trochoidenbewegung und zur Erzeugung eines Paares von Skyrmion-Antiskirmion führen kann. Eine solche Dynamik wird durch eine Verformung des Kerns verursacht, was wiederum zu einer zeitabhängigen Helizität führt, die die Bewegung der Skyrmion- und Antiskirmion-Kerne steuert.
Beispiel einer Trochoidenbewegung (verlängerte Zykloide)Unter Verwendung von Atomspinsimulationen, Vorhersagemodellen mit Reduktion von Variablen und Algorithmen für maschinelles Lernen wurde ein dynamisches Phasendiagramm berechnet, das vorhersagt, wie Spin-Orbit-Momente die Art der Bewegung steuern und durch Einführung von Anti-Skyrmionen zur Bildung von Skyrmion-Gittern führen können.
Simulationen der Dynamik atomarer Spins
Bild Nr. 1Die Studie basierte auf einem Substrat eines normalen Metalls und einer Schicht eines ferromagnetischen Übergangsmetalls (Bild
1a ). Ein Beispiel für eine solche Substanz ist die
PdFe / Ir (111) -Legierung, bei der der stabile antisymmetrische Austausch in die Eisen (
Fe ) -Monoschicht durch Grenzflächenbindung mit starker Spin-Bahn-Wechselwirkung im Iridium (
Ir ) -Substrat verursacht wird. Dadurch können einzelne Skyrmionen in einem metastabilen Zustand existieren.
Es wurde auch gezeigt, dass Anti-Skyrmion-Zustände auch metastabil sein können, wenn frustrierte Austauschwechselwirkungen in dünnen Filmen oder Massenproben berücksichtigt werden.
Abbildung
1b zeigt, dass die gewöhnlichen und antisymmetrischen Austauschwechselwirkungen eine sechsfache Symmetrie aufweisen, die mit der Iridiumoberfläche verbunden ist. Wenn die Kraft der antisymmetrischen Austauschwechselwirkung verringert wird, kann man den Gleichgewichtszustand für Skyrmionen (
1c ) und Antiskirmionen (
1d ) erreichen.
Die Forscher stellen fest, dass der Strom in der Ebene durch ein ferromagnetisches Metall und ein normales Metallsubstrat fließen muss. In diesem Fall fließt der größte Teil des Stroms jedoch nur durch das Iridiumsubstrat, da der spezifische Widerstand der Schicht gerade für ultradünne Ferromagnete viel höher ist.
1e repräsentiert die hexagonale Struktur des Gitters und die Richtung der Vektoren der antisymmetrischen Austauschwechselwirkung, die zur Aufrechterhaltung des Anti-Skyrmion-Zustands verwendet wurden.
1f ist der Gleichgewichtszustand eines Skyrmions mit einer antisymmetrischen Austauschwechselwirkung, und Bild
1g zeigt den Gleichgewichtszustand eines Antiskirmions mit einer antisymmetrischen Austauschwechselwirkung.
Spin-Dynamik und Bildung eines Paares von Skyrmion-Antiskirmion
Bild Nr. 2Fig.
2a zeigt die Änderungen der mittleren Geschwindigkeit
〈v〉 von Skyrmionen und Antiskirmionen als Funktion des Spin-Orbit-Moments, wobei β
FL = β
DL ist . Für Anti-Skyrmionen wurden drei Ausbreitungsmodi bestimmt: lineare Bewegung bei niedrigem Strom, abgelenkte Bewegung bei mittlerem Strom und trochoide Bewegung bei hohem Strom.
Es ist erwähnenswert, dass die Geschwindigkeit von Anti-Skyrmionen nicht parallel zum Spin-Orbit-Moment zunimmt, wie dies bei Skyrmionen der Fall ist.
Berechnungen des Verhaltens von Skyrmionen ermöglichten es, eine Annahme bezüglich der Flugbahn der Anti-Skyrmionen zu treffen, wie in Abbildung
2b gezeigt . Drei Pfadoptionen für drei Modi. Die Pfeile geben die Richtung des Bewegungsvektors an.
Der moderne Abstraktionismus in Bild 2c ist ein Phasendiagramm unterschiedlichen Verhaltens für unterschiedliche Werte und Verhältnisse β
FL (feldartige Drehmomentkraft) und β
DL („gedämpfte“ Drehmomentkraft). Dank Algorithmen für maschinelles Lernen wurden drei Haupttypen von Trajektorien (linear, abgelenkt und trochoide) identifiziert, die einen weiten Bereich von Geschwindigkeiten und Ausbreitungsrichtungen abdecken.
Trochoide und abweichende Trajektorien entstehen durch Verformung des Kerns des Anti-Skyrmions. Es ist die trochoide Trajektorie, die mit einem sehr weiten Wertebereich des Spin-Orbit-Moments entsteht.
Bild 3aDie Verformung des Kerns ist durch das Auftreten einer dynamischen Variablen
ψ (t) gekennzeichnet , die die Helizität des Skyrmions und des Anti-Skyrmions anzeigt (Bild
3a , wobei q = 1 Skyrmionen und q = -1 Anti-Skyrmionen sind).
Die Variable
ψ für Skyrmionen beschreibt einen kontinuierlichen Übergang zwischen den Bloch- und Néel-Zuständen entgegengesetzter Chiralität und für Anti-Skyrmionen die Rotation der Bloch- und Néel-Achsen.
In dem von den Forschern entwickelten System wird die Verformung des Kerns durch das Spin-Orbit-Moment verursacht, das zu einer Neigung der Magnetisierung in der Filmebene führt, die durch die Amplitude
η und den Azimut
ϕ t gekennzeichnet ist .
Bei externen Drehungen ist die Steigung immer gleich, aber innerhalb des Antiskirmionskerns variiert sie je nach
ψ .
Es wurde gefunden, dass für kleines & bgr;
FL und großes & bgr;
DL ein neuer dynamischer Zustand auftritt, der zur Bildung eines Paares von Skyrmion-Antiskirmion führt. Wenn das Anti-Skyrmion seine trochoide Trajektorie entlanggeht, geht es mit einer starken Verformung (Verlängerung des Kerns) einher. Dies ist in Bild
4a zu sehen (insbesondere bei t = 3 ps). Ferner ist diese Verlängerung, die ein Paar von Skyrmion-Antiskirmion ist, vom Kern selbst getrennt.
Bild Nr. 4Abbildung
4b zeigt die topologische Ladungsdichte dieses Prozesses. Die Existenz eines Paares ist jedoch nicht dauerhaft. Mit der Zeit beginnt das Paar zu zerfallen, da die Spin-Orbit-Momente das Skyrmion und das Anti-Skyrmion dazu zwingen, sich in verschiedene Richtungen zu bewegen. Skyrmion bewegt sich vom Punkt der Paarbildung entlang eines linearen Pfades. Antiskirmion beginnt sich entlang einer trochoiden Trajektorie zu bewegen, was zur Bildung eines neuen Paares führt (Bild
4c ). Dieser Vorgang wird immer wieder wiederholt, und dies legt nahe, dass es möglich ist, aus einem einzelnen Anti-Skyrmion weit entfernt von einem einzelnen Paar, aber vielen neuen Paaren zu erstellen.
Antisymmetrische AustauschwechselwirkungWir haben bereits früher erfahren, dass abweichende und trochoide Trajektorien nur bei Anti-Skyrmionen gefunden wurden. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Barriere der inneren Energie (mit gleicher antisymmetrischer Austauschwechselwirkung, nachstehend AOB) des Skyrmions viel höher ist, was für das Antiskirmion der Fall ist. Das heißt, die Asymmetrie zwischen entgegengesetzten topologischen Ladungen hängt von der AOB und nicht von der Ladung selbst ab.
Dynamik von Skyrmionen und Anti-Skyrmionen in Abwesenheit von AOWDie Bedeutung von AOB ist klarer und leichter zu zeigen, wenn es nicht im System vorhanden ist. In diesem Fall behalten Skyrmionen und Anti-Skyrmionen aufgrund einer frustrierten Austauschwechselwirkung weiterhin einen metastabilen Zustand bei, was zu einem Gleichgewichtszustand führt (
a und
b im obigen Bild). Es stellt sich heraus, dass im System keine Wechselwirkung zwischen dem Skyrmion und dem Anti-Skyrmion besteht, was zur Zerstörung der Staaten Bloch und Néel führt. Infolgedessen ist das in Bild
a gezeigte Profil der einzige Weg, um den metastabilen Zustand des Skyrmions zu realisieren, und Bild
b ist der metastabile Zustand des Anti-Skyrmions.
Im Bild
mit sehen wir, dass es eine Kreisbewegung mit entgegengesetzter Richtung für entgegengesetzte topologische Ladungen gibt.
Folglich ist die Bildung von Skyrmion-Antiskirmion-Paaren ohne antisymmetrische Austauschwechselwirkung unmöglich.
Der Bericht von Wissenschaftlern enthüllt die Merkmale ihrer Forschung weitaus ausführlicher. Ich empfehle daher dringend, dass Sie sich damit vertraut machen.Während der Arbeit am Material fand ich eine sehr beeindruckende Arbeit „Einführung in Spin-Drehmomente und Spin-Orbit-Momente in Metallschichten“. Vielleicht ist jemand hilfreich, also hinterlasse ich eine Referenz.NachwortDiese Studie zeigte Wissenschaftlern zufolge die reichhaltige Dynamik, die bei verschiedenen Spin-Orbit-Momenten in ultradünnen ferromagnetischen Filmen möglich ist. Sie nennen die wichtigsten Punkte ihrer Arbeit eine Beschreibung des Prozesses der Paarbildung (Umkehrung des Wirbelkerns) und einen Vergleich von Skyrmionen und anderen Phänomenen des Mikromagnetismus.
Diese Arbeit wird definitiv die Grundlage für weitere Forschungen sein, deren Zweck darin besteht, die Fähigkeit zu realisieren, die notwendige Ausrichtung der Oberfläche oder Grenzfläche für ihre Anpassung an bestimmte dynamische Eigenschaften zu wählen. Dies wird eine neue Runde in der Materialwissenschaft werden, da früher nur der quantitativen Bestimmung und Steuerung linearer Bewegungspfade für Speicher und logische Anwendungen auf der Basis von Skyrmionen Aufmerksamkeit geschenkt wurde.
Diese Studie zeigt die Möglichkeit, dass mehrere verschiedene Dynamiken gleichzeitig unter verschiedenen metastabilen Zuständen innerhalb eines einzigen Materialsystems existieren.
Infolgedessen können solche Entwicklungen zur Grundlage für die Schaffung neuer Arten von Informationsspeicher- und -verarbeitungsgeräten werden, die die Revolution in der Welt der Informationstechnologie mit sich bringen werden.
Vielen Dank für Ihren Aufenthalt bei uns. Gefällt dir unser Artikel? Möchten Sie weitere interessante Materialien sehen? Unterstützen Sie uns, indem Sie eine Bestellung
aufgeben oder Ihren Freunden empfehlen, einen
Rabatt von 30% für Habr-Benutzer auf ein einzigartiges Analogon von Einstiegsservern, das wir für Sie erfunden haben: Die ganze Wahrheit über VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Kerne) 10 GB DDR4 240 GB SSD 1 Gbit / s von $ 20 oder wie teilt man den Server? (Optionen sind mit RAID1 und RAID10, bis zu 24 Kernen und bis zu 40 GB DDR4 verfügbar).
3 Monate kostenlos bei Bezahlung eines neuen Dell R630 für einen Zeitraum von sechs Monaten -
2 x Intel Deca-Core Xeon E5-2630 v4 / 128 GB DDR4 / 4 x 1 TB Festplatte oder 2 x 240 GB SSD / 1 Gbit / s 10 TB - ab 99,33 USD pro Monat , nur bis Ende August, Bestellung kann
hier sein .
Dell R730xd 2 mal günstiger? Nur wir haben
2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128 GB DDR4 6 x 480 GB SSD 1 Gbit / s 100 TV von 249 US-Dollar in den Niederlanden und den USA! Lesen Sie mehr über
den Aufbau eines Infrastrukturgebäudes. Klasse mit Dell R730xd E5-2650 v4 Servern für 9.000 Euro für einen Cent?