Las tecnologías modernas nos parecen ordinarias y familiares. Sin embargo, solo pensar en esas cosas hace 50 años parecía algo poco realista y futurista. En estos días, estos epítetos han conservado su popularidad, porque los científicos continúan expandiendo los límites de nuestra comprensión del mundo.
El futuro de la tecnología de la información depende no solo de mejorar los componentes existentes de esta parte integral de la vida humana, sino también de la búsqueda de nuevos materiales, técnicas, técnicas y otras cosas. Hoy trataremos un estudio muy interesante de skyrmions magnéticos y anti-skyrmions. ¿Qué es, por qué es y cómo puede mejorar la TI en el futuro? Para obtener respuestas, sumérjase en el informe de los científicos. Vamos
¿Qué es el skyrmion magnético?Para empezar, vale la pena recordar que los átomos de materiales magnéticos, que tienen su propio momento magnético de un electrón, se comportan como imanes, en palabras simples. Cuando una sustancia se magnetiza, las vueltas de los átomos se alinean de cierta manera, lo que hace que esta sustancia sea un imán.
En 2009, los investigadores descubrieron una característica muy fascinante de los átomos individuales. Sus espaldas estaban torcidas en embudos (vórtices). Una estructura similar se llamó skyrmion, en honor del físico británico Tony Skyrme, quien en 1962 describió un modelo matemático de giros de vórtice.
Imagen a - skyrmion "erizo", b - skyrmion espiral.Una de las características importantes de TI para skyrmions es su estabilidad topológica. La conclusión es que cualquier perturbación puede cambiar la dirección de los giros, pero el giro seguirá siendo el mismo. Por lo tanto, puede almacenar información en forma binaria: 0 - no hay skyrmion, 1 - hay un skyrmion. Y dado el tamaño nanométrico de tales estructuras, la densidad de almacenamiento de información también puede aumentar significativamente.
A partir de esta información, también se supuso la existencia de anti-skyrmions, cuya carga topológica será opuesta a la de los skyrmions ordinarios.
Las estructuras de giro bidimensionales tienen una topología no trivial, que es responsable de su cierto nivel de estabilidad. Dichas estructuras se caracterizan por una carga topológica:
donde
m = m (r, t) es el vector de dirección de los momentos magnéticos en el tiempo y el espacio.
Los skyrmions
(q = 1 ) y los anti-skyrmions (
q = -1 ) tienen cargas opuestas y pueden ocurrir en pares si se produce una deformación de un estado homogéneo (
q = 0 ). La descripción de la dinámica de skyrmions y anti-skyrmions se puede aproximar si el núcleo se considera inmóvil, lo que reduce el número requerido de variables para describir su movimiento.
La siguiente fórmula describe el movimiento girotrópico amortiguado de la posición del núcleo (X) de skyrmions y anti-skyrmions en respuesta a la fuerza aplicada (F):
G, igual a -qG0z, es un vector giroscópico;
α es la constante de atenuación;
D0 es un factor estructural.La dinámica en la ecuación anterior no es newtoniana y, por lo tanto, la respuesta girotrópica depende de q y dicta la dirección en la que se mueve el núcleo.
Base de investigaciónEn su estudio, los científicos describen la dinámica de skyrmions y anti-skyrmions en películas ferromagnéticas ultrafinas. Se descubrió la aparición de momentos spin-orbitales, que pueden conducir a la aparición de movimiento trocoidal y a la generación de un par de skyrmion-antiskirmion. Dicha dinámica es causada por la deformación del núcleo, que a su vez conduce a una helicidad dependiente del tiempo, que controla el movimiento de los núcleos skyrmion y antiskirmion.
Ejemplo de movimiento trocoidal (cicloide extendido)Utilizando simulaciones de giro atómico, modelado predictivo con reducción de variables y algoritmos de aprendizaje automático, se calculó un diagrama de fase dinámico que predice cómo los momentos de giro en órbita pueden controlar el tipo de movimiento y también conducen a la formación de redes de skyrmion mediante la introducción de anti-skyrmions.
Simulaciones de la dinámica de los giros atómicos.
Imagen No. 1El estudio se basó en un sustrato de un metal normal y una capa de un metal de transición ferromagnética (imagen
1a ). Un ejemplo de dicha sustancia es la
aleación PdFe / Ir (111) , en la que el intercambio antisimétrico estable en la monocapa de hierro (
Fe ) es causado por la unión interfacial con una fuerte interacción de la órbita giratoria en el sustrato de iridio (
Ir ). Esto permite que existan skyrmions individuales en un estado metaestable.
También se reveló que los estados anti-skyrmion también pueden ser metaestables cuando se tienen en cuenta las interacciones frustradas de intercambio en películas delgadas o muestras a granel.
La Figura
1b muestra que las interacciones de intercambio ordinarias y antisimétricas tienen una simetría de seis veces, que está asociada con la superficie de iridio. Si se reduce el poder de la interacción de intercambio antisimétrico, entonces se puede alcanzar el estado de equilibrio para skyrmions (
1c ) y antiskirmions (
1d ).
Los investigadores señalan que la corriente en el plano debe pasar a través de un metal ferromagnético y un sustrato metálico normal. Sin embargo, en este caso, la mayor parte de la corriente pasa solo a través del sustrato de iridio, ya que la resistividad de la capa es mucho mayor precisamente para los ferromagnetos ultrafinos.
1e representa la estructura hexagonal de la red y la dirección de los vectores de la interacción de intercambio antisimétrico, que se utilizaron para mantener el estado anti-skyrmion.
1f es el estado de equilibrio de un skyrmion con una interacción de intercambio antisimétrico, y la imagen
1g muestra el estado de equilibrio de un antiskirmion con una interacción de intercambio antisimétrico.
Dinámica de giro y la formación de un par de skyrmion-antiskirmion
Imagen No. 2La Figura
2a muestra los cambios en la velocidad media
〈v〉 de skyrmions y antiskirmions en función del momento de la órbita giratoria, donde β
FL = β
DL . Se determinaron tres modos de propagación para anti-skyrmions: movimiento lineal a baja corriente, movimiento desviado a media corriente y movimiento trocoidal a alta corriente.
Vale la pena señalar que la velocidad de los anti-skyrmions no aumenta paralelamente al momento de la órbita giratoria, como ocurre en los skyrmions.
Los cálculos del comportamiento de los skyrmions permitieron hacer una suposición con respecto a la trayectoria de los anti-skyrmions, como se muestra en la imagen
2b . Tres opciones de ruta para tres modos. Las flechas indican la dirección del vector de movimiento.
El abstraccionismo moderno en la imagen 2c es un diagrama de fase de diferentes comportamientos para diferentes valores y relaciones β
FL (fuerza de torque similar a un campo) y β
DL (fuerza de torque "amortiguada"). Gracias a los algoritmos de aprendizaje automático, se identificaron tres tipos principales de trayectorias (lineal, desviada y trocoidal) que cubren una amplia gama de velocidades y direcciones de propagación.
Las trayectorias trocoidales y desviadas surgen debido a la deformación del núcleo del anti-skyrmion. Es la trayectoria trocoidal que surge con un rango muy amplio de valores del momento de la órbita giratoria.
Imagen 3aLa deformación del núcleo se caracteriza por la aparición de una variable dinámica
ψ (t) , que indica la helicidad del skyrmion y anti-skyrmion (imagen
3a , donde q = 1 son skyrmions y q = -1 son anti-skyrmions).
La variable
ψ para skyrmions describe una transición continua entre los estados de Bloch y Néel de quiralidad opuesta, y para los anti-skyrmions, la rotación de los ejes de Bloch y Néel.
En el sistema creado por los investigadores, la deformación del núcleo es causada por el momento de la órbita giratoria, que conduce a una inclinación en la magnetización en el plano de la película, que se caracteriza por la amplitud
η y el acimut
ϕ t .
Para giros externos, la pendiente es la misma todo el tiempo, pero dentro del núcleo antirremolque varía según
ψ .
Se encontró que para β
FL pequeño y β
DL grande, surge un nuevo estado dinámico que conduce a la formación de un par de skyrmion-antiskirmion. Cuando el anti-skyrmion pasa a lo largo de su trayectoria trocoidal, se acompaña de una deformación severa (alargamiento del núcleo). Esto se puede ver en la imagen
4a (específicamente, en t = 3 ps). Además, este alargamiento, que es un par de skyrmion-antiskirmion, está separado del núcleo mismo.
Imagen No. 4La Figura
4b muestra la densidad de carga topológica de este proceso. Sin embargo, la existencia de una pareja no es permanente. Con el tiempo, la pareja comienza a decaer, ya que los momentos de giro-órbita "obligan" al skyrmion y al anti-skyrmion a moverse en diferentes direcciones. Skyrmion se mueve a lo largo de un camino lineal desde el punto de formación del par. Antiskirmion comienza a moverse a lo largo de una trayectoria trocoidal, lo que conduce a la formación de un nuevo par (imagen
4c ). Este proceso se repite una y otra vez, y esto sugiere que es posible crear desde un único anti-skyrmion lejos de un solo par, pero muchos pares nuevos.
Interacción de intercambio antisimétricoYa supimos anteriormente que las trayectorias desviadas y trocoidales solo se encontraban en antiescaramiones. Esto se debe al hecho de que la barrera de la energía interna (con la misma interacción de intercambio antisimétrico, en adelante AOB) del skyrmion es mucho mayor, como es el caso del anti-skyrmion. Es decir, la asimetría entre las cargas topológicas opuestas depende de la AOB, y no de la carga en sí.
Dinámica de skyrmions y anti-skyrmions en ausencia de AOWLa importancia de AOB es más clara y fácil de mostrar si no está en el sistema. En este caso, los skyrmions y anti-skyrmions continuarán manteniendo un estado metaestable debido a la interacción de intercambio frustrada, que conduce a un estado de equilibrio (
ayb en la imagen de arriba). Resulta que en el sistema no hay interacción entre el skyrmion y el anti-skyrmion, lo que conduce a la destrucción de los estados Bloch y Néel. Como resultado, el perfil que se muestra en la imagen
a es la única forma de darse cuenta del estado metaestable del skyrmion, y la imagen
b es el estado metaestable del anti-skyrmion.
En la imagen
con vemos que hay un movimiento circular con la dirección opuesta para cargas topológicas opuestas.
Como conclusión, la formación de pares skyrmion-antiskirmion sin interacción de intercambio antisimétrico es imposible.
El informe de los científicos revela mucho más las características de su investigación, por lo tanto, le recomiendo que se familiarice con él.En el proceso de trabajar en el material, encontré un trabajo muy impresionante "Introducción a los pares de giro y los momentos de órbita de giro en capas de metal". Tal vez alguien sea útil, así que dejo una referencia.EpílogoEste estudio, según los científicos, mostró la rica dinámica posible en diferentes momentos de la órbita de giro en películas ferromagnéticas ultrafinas. Llaman a los puntos más importantes de su trabajo una descripción del proceso de formación de pares (reverso del núcleo del vórtice) y la comparación de skyrmions y otros fenómenos de micromagnetismo.
Este trabajo definitivamente se convertirá en la base para futuras investigaciones, cuyo propósito será la capacidad de elegir la orientación necesaria de la superficie o interfaz para su adaptación a ciertas propiedades dinámicas. Esto se convertirá en una nueva ronda en la ciencia de los materiales, dado que anteriormente se prestó atención solo a la determinación cuantitativa y el control de las rutas de movimiento lineal para la memoria y las aplicaciones lógicas basadas en skyrmions.
Este estudio demuestra la posibilidad de la existencia de varias dinámicas diferentes a la vez bajo varios estados metaestables dentro de un solo sistema material.
Como resultado, tales desarrollos pueden convertirse en la base para la creación de nuevos tipos de dispositivos de almacenamiento y procesamiento de información, lo que supondrá la revolución en el mundo de la tecnología de la información.
Gracias por quedarte con nosotros. ¿Te gustan nuestros artículos? ¿Quieres ver más materiales interesantes?
Apóyenos haciendo un pedido o recomendándolo a sus amigos, un
descuento del 30% para los usuarios de Habr en un análogo único de servidores de nivel de entrada que inventamos para usted: toda la verdad sobre VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 núcleos) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps de $ 20 o cómo dividir el servidor? (las opciones están disponibles con RAID1 y RAID10, hasta 24 núcleos y hasta 40GB DDR4).
3 meses gratis al pagar un nuevo Dell R630 por un período de seis meses -
2 x Intel Deca-Core Xeon E5-2630 v4 / 128GB DDR4 / 4x1TB HDD o 2x240GB SSD / 1Gbps 10 TB - desde $ 99.33 al mes , solo hasta el final de agosto, ordene puede estar
aquíDell R730xd 2 veces más barato? ¡Solo tenemos
2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV desde $ 249 en los Países Bajos y los Estados Unidos! Lea sobre
Cómo construir un edificio de infraestructura. clase utilizando servidores Dell R730xd E5-2650 v4 que cuestan 9,000 euros por un centavo?