Les technologies modernes nous semblent ordinaires et familières. Cependant, penser à de telles choses il y a 50 ans semblait quelque chose d'irréaliste et futuriste. De nos jours, ces épithètes ont conservé leur popularité, car les scientifiques continuent d'élargir les frontières de notre compréhension du monde.
L'avenir des technologies de l'information dépend non seulement de l'amélioration des composants existants de cette partie intégrante de la vie humaine, mais aussi de la recherche de nouveaux matériaux, techniques, techniques et autres. Aujourd'hui, nous allons traiter d'une étude très intéressante des skyrmions magnétiques et des anti-skyrmions. Qu'est-ce que c'est, pourquoi et comment peut-il améliorer l'informatique à l'avenir? Pour des réponses, plongez dans le rapport des scientifiques. Allons-y.
Qu'est-ce que le skyrmion magnétique?Pour commencer, il convient de rappeler que les atomes de matériaux magnétiques, qui ont leur propre moment magnétique d'un électron, se comportent comme des aimants, en termes simples. Lorsqu'une substance est magnétisée, les spins des atomes s'alignent d'une certaine manière, ce qui fait de cette substance un aimant.
En 2009, les chercheurs ont découvert une caractéristique très fascinante des atomes individuels. Leurs dos étaient tordus en entonnoirs (tourbillons). Une structure similaire a été appelée skyrmion, en l'honneur du physicien britannique Tony Skyrme, qui, en 1962, décrivait un modèle mathématique de vortex.
Image a - skyrmion «hérisson», b - skyrmion en spirale.L'une des caractéristiques importantes de l'informatique pour les skyrmions est leur stabilité topologique. L'essentiel est que toute perturbation peut changer la direction des spins, mais la torsion restera la même. Ainsi, vous pouvez stocker des informations sous forme binaire: 0 - il n'y a pas de skyrmion, 1 - il y a un skyrmion. Et compte tenu de la taille nanométrique de ces structures, la densité de stockage des informations peut également augmenter considérablement.
Partant de ces informations, l'existence d'anti-skyrmions a également été supposée, dont la charge topologique sera opposée aux skyrmions ordinaires.
Les structures de spin bidimensionnelles ont une topologie non triviale, qui est responsable de leur certain niveau de stabilité. Ces structures sont caractérisées par une charge topologique:
où
m = m (r, t) est le vecteur directionnel des moments magnétiques dans le temps et l'espace.
Les Skyrmions
(q = 1 ) et les anti-skyrmions (
q = -1 ) ont des charges opposées et peuvent se produire par paires si une déformation d'un état homogène se produit (
q = 0 ). La description de la dynamique des skyrmions et des anti-skyrmions peut être approximée si le noyau est considéré comme immobile, ce qui réduit le nombre requis de variables pour décrire leur mouvement.
La formule ci-dessous décrit le mouvement gyrotrope amorti de la position du noyau (X) des skyrmions et des anti-skyrmions en réponse à la force appliquée (F):
G, égal à -qG0z, est un vecteur gyroscopique;
α est la constante d'atténuation;
D0 est un facteur structurel.La dynamique dans l'équation ci-dessus est non newtonienne, et donc la réponse gyrotrope dépend de q et dicte la direction dans laquelle le noyau se déplace.
Base de rechercheDans leur étude, les scientifiques décrivent la dynamique des skyrmions et des anti-skyrmions dans les films ferromagnétiques ultrafins. L'occurrence de moments spin-orbitaux a été découverte, ce qui peut conduire à l'apparition d'un mouvement trochoïdal et à la génération d'une paire de skyrmion-antiskirmion. Cette dynamique est causée par la déformation du noyau, qui à son tour conduit à une hélicité temporelle, qui contrôle le mouvement des noyaux skyrmion et antiskirmion.
Exemple de mouvement trochoïdal (cycloïde étendu)À l'aide de simulations de spin atomique, de modélisation prédictive avec réduction des variables et d'algorithmes d'apprentissage automatique, un diagramme de phase dynamique a été calculé qui prédit comment les moments de spin-orbite peuvent contrôler le type de mouvement et également conduire à la formation de réseaux de skyrmion en introduisant des anti-skyrmions.
Simulations de la dynamique des spins atomiques
Image n ° 1L'étude était basée sur un substrat d'un métal normal et une couche d'un métal de transition ferromagnétique (image
1a ). Un exemple d'une telle substance est l'
alliage PdFe / Ir (111) , dans lequel l'échange antisymétrique stable dans la monocouche de fer (
Fe ) est provoqué par une liaison interfaciale avec une forte interaction spin-orbite dans le substrat d'iridium (
Ir ). Cela permet aux skyrmions individuels d'exister dans un état métastable.
Il a également été révélé que les états anti-skyrmion peuvent également être métastables lorsque les interactions d'échange frustrées dans des films minces ou des échantillons en vrac sont prises en compte.
La figure
1b montre que les interactions d'échange ordinaires et antisymétriques ont une symétrie six fois, qui est associée à la surface de l'iridium. Si la puissance de l'interaction d'échange antisymétrique est réduite, alors on peut atteindre l'état d'équilibre pour les skyrmions (
1c ) et les antiskirmions (
1d ).
Les chercheurs notent que le courant dans le plan doit traverser un métal ferromagnétique et un substrat métallique normal. Cependant, dans ce cas, la majeure partie du courant ne traverse que le substrat d'iridium, car la résistivité de la couche est beaucoup plus élevée précisément pour les ferromagnétiques ultraminces.
1e représente la structure hexagonale du réseau et la direction des vecteurs de l'interaction d'échange antisymétrique, qui ont été utilisés pour maintenir l'état anti-skyrmion.
1f est l'état d'équilibre d'un skyrmion avec une interaction d'échange antisymétrique, et l'image
1g montre l'état d'équilibre d'un antiskirmion avec une interaction d'échange antisymétrique.
Dynamique de spin et formation d'une paire de skyrmion-antiskirmion
Image n ° 2La figure
2a montre les changements de la vitesse moyenne
〈v〉 des skyrmions et des antiskirmions en fonction du moment spin-orbite, où β
FL = β
DL . Trois modes de propagation ont été déterminés pour les anti-skyrmions: mouvement linéaire à faible courant, mouvement dévié à courant moyen et mouvement trochoïdal à courant élevé.
Il convient de noter que la vitesse des anti-skyrmions n'augmente pas parallèlement au moment de rotation-orbite, comme cela se produit dans les skyrmions.
Les calculs du comportement des skyrmions ont permis de faire une hypothèse concernant la trajectoire des anti-skyrmions, comme le montre l'image
2b . Trois options de chemin pour trois modes. Les flèches indiquent la direction du vecteur de mouvement.
L'abstractionnisme moderne dans l'image 2c est un diagramme de phases de comportements différents pour différentes valeurs et rapports β
FL (force de couple de type champ) et β
DL (force de couple «amortie»). Grâce aux algorithmes d'apprentissage automatique, trois principaux types de trajectoires (linéaire, déviée et trochoïdale) ont été identifiés qui couvrent une large gamme de vitesses et de directions de propagation.
Des trajectoires trochoïdales et déviées surviennent en raison de la déformation du noyau de l'anti-skyrmion. C'est la trajectoire trochoïdale qui apparaît avec une très large gamme de valeurs du moment spin-orbite.
Image 3aLa déformation du noyau est caractérisée par l'apparition d'une variable dynamique
ψ (t) , qui indique l'hélicité du skyrmion et de l'anti-skyrmion (image
3a , où q = 1 sont des skyrmions et q = -1 sont des anti-skyrmions).
La variable
ψ pour les skyrmions décrit une transition continue entre les états de Bloch et Néel de chiralité opposée, et pour les anti-skyrmions, la rotation des axes Bloch et Néel.
Dans le système créé par les chercheurs, la déformation du noyau est provoquée par le moment spin-orbite, ce qui entraîne une inclinaison de l'aimantation dans le plan du film, caractérisée par l'amplitude
η et l'azimut
ϕ t .
Pour les spins externes, la pente est la même tout le temps, mais à l'intérieur du noyau antiskirmion, elle varie en fonction de
ψ .
Il a été constaté que pour le petit β
FL et le grand β
DL , un nouvel état dynamique apparaît, conduisant à la formation d'une paire de skyrmion-antiskirmion. Lorsque l'anti-skyrmion passe le long de sa trajectoire trochoïdale, il s'accompagne de graves déformations (allongement du noyau). Cela peut être vu dans l'image
4a (spécifiquement, à t = 3 ps). De plus, cet allongement, qui est une paire de skyrmion-antiskirmion, est séparé du noyau lui-même.
Image n ° 4La figure
4b montre la densité de charge topologique de ce processus. Cependant, l'existence d'un couple n'est pas permanente. Au fil du temps, la paire commence à se désintégrer, car les moments de spin-orbite «forcent» le skyrmion et l'anti-skyrmion à se déplacer dans des directions différentes. Skyrmion se déplace le long d'un chemin linéaire à partir du point de formation des paires. Antiskirmion commence à se déplacer le long d'une trajectoire trochoïdale, ce qui conduit à la formation d'une nouvelle paire (image
4c ). Ce processus se répète encore et encore, ce qui suggère qu'il est possible de créer à partir d'un seul anti-skyrmion loin d'une seule paire, mais de nombreuses nouvelles paires.
Interaction d'échange antisymétriqueNous avons déjà appris plus tôt que les trajectoires déviées et trochoïdales n'étaient retrouvées que dans les anti-skyrmions. Cela est dû au fait que la barrière d'énergie interne (avec une interaction d'échange antisymétrique égale, ci-après AOB) du skyrmion est beaucoup plus élevée, ce qui est le cas pour l'anti-skyrmion. Autrement dit, l'asymétrie entre des charges topologiques opposées dépend de l'AOB, et non de la charge elle-même.
Dynamique des skyrmions et des anti-skyrmions en l'absence d'AOWL'importance de l'AOB est plus claire et plus facile à montrer si elle n'est pas dans le système. Dans ce cas, les skyrmions et les anti-skyrmions continueront de maintenir un état métastable en raison d'une interaction d'échange frustrée, ce qui conduit à un état d'équilibre (
a et
b dans l'image ci-dessus). Il s'avère que dans le système il n'y a pas d'interaction entre le skyrmion et l'anti-skyrmion, ce qui conduit à la destruction des états Bloch et Néel. Par conséquent, le profil montré dans l'image
a est le seul moyen de réaliser l'état métastable du skyrmion, et l'image
b est l'état métastable de l'anti-skyrmion.
Dans l'image
avec nous voyons qu'il y a un mouvement circulaire avec la direction opposée pour des charges topologiques opposées.
En conclusion, la formation de paires skyrmion-antiskirmion sans interaction d'échange antisymétrique est impossible.
Le rapport des scientifiques révèle bien plus en détail les caractéristiques de leurs recherches, par conséquent, je vous recommande fortement de vous familiariser avec lui.En travaillant sur le matériau, j'ai trouvé un travail très impressionnant «Introduction aux couples de spin et aux moments de spin-orbite dans les couches métalliques». Peut-être que quelqu'un vous sera utile, alors je laisse une référence.ÉpilogueCette étude, selon les scientifiques, a montré la riche dynamique possible à différents moments de spin-orbite dans des films ferromagnétiques ultrafins. Ils appellent les points les plus importants de leur travail une description du processus de formation de paires (inverse du noyau vortex) et la comparaison des skyrmions et d'autres phénomènes de micromagnétisme.
Ces travaux deviendront certainement la base de recherches futures, dont le but sera la réalisation de la capacité de choisir l'orientation nécessaire de la surface ou de l'interface pour leur adaptation à certaines propriétés dynamiques. Cela deviendra un nouveau cycle dans la science des matériaux, étant donné qu'une attention antérieure n'était accordée qu'à la détermination quantitative et au contrôle des trajectoires de mouvement linéaire pour la mémoire et les applications logiques basées sur les skyrmions.
Cette étude démontre la possibilité de l'existence de plusieurs dynamiques différentes à la fois sous différents états métastables au sein d'un même système de matériaux.
En conséquence, ces développements peuvent devenir la base de la création de nouveaux types de dispositifs de stockage et de traitement de l'information, qui entraîneront la révolution même dans le monde des technologies de l'information.
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