Par Skyrmion-anti-skyrmion como um futuro possível para armazenamento de dados

As tecnologias modernas parecem comuns e familiares para nós. No entanto, apenas pensar nessas coisas há 50 anos parecia algo irreal e futurista. Atualmente, esses epítetos mantiveram sua popularidade, porque os cientistas continuam a expandir os limites de nossa compreensão do mundo.

O futuro da tecnologia da informação depende não apenas da melhoria dos componentes existentes dessa parte integrante da vida humana, mas também da busca de novos materiais, técnicas, técnicas e outras coisas. Hoje vamos tratar de um estudo muito interessante de skyrmions magnéticos e anti-skyrmions. O que é, por que e como pode melhorar a TI no futuro? Para obter respostas, mergulhe no relatório dos cientistas. Vamos lá

O que é skyrmion magnético?

Para começar, vale lembrar que os átomos dos materiais magnéticos, que têm seu próprio momento magnético de elétron, se comportam como ímãs, em palavras simples. Quando uma substância é magnetizada, os giros dos átomos se alinham de uma certa maneira, o que faz dessa substância um ímã.

Em 2009, os pesquisadores descobriram uma característica muito fascinante dos átomos individuais. Suas costas foram torcidas em funis (vórtices). Uma estrutura semelhante foi chamada skyrmion, em homenagem ao físico britânico Tony Skyrme, que em 1962 descreveu um modelo matemático de rotações de vórtice.


Imagem a - skyrmion “ouriço”, b - skyrmion em espiral.

Uma das características importantes da TI para skyrmions é sua estabilidade topológica. A conclusão é que qualquer distúrbio pode mudar a direção dos giros, mas a torção permanecerá a mesma. Assim, você pode armazenar informações em formato binário: 0 - não há skyrmion, 1 - existe um skyrmion. E dado o tamanho do nanômetro dessas estruturas, a densidade de informações de armazenamento também pode aumentar significativamente.

A partir dessas informações, também foi assumida a existência de anti-skyrmions, cuja carga topológica será oposta aos skyrmions comuns.

As estruturas de rotação bidimensionais possuem uma topologia não trivial, responsável por seu certo nível de estabilidade. Tais estruturas são caracterizadas por uma carga topológica:



onde m = m (r, t) é o vetor de direção dos momentos magnéticos no tempo e no espaço.

Skyrmions (q = 1 ) e anti-skyrmions ( q = -1 ) têm cargas opostas e podem ocorrer em pares se ocorrer uma deformação de um estado homogêneo ( q = 0 ). A descrição da dinâmica de skyrmions e anti-skyrmions pode ser aproximada se o núcleo for considerado imóvel, o que reduz o número necessário de variáveis ​​para descrever seu movimento.

A fórmula abaixo descreve o movimento girotrópico amortecido da posição do núcleo (X) de skyrmions e anti-skyrmions em resposta à força aplicada (F):


G, igual a -qG0z, é um vetor de giroscópio;
α é a constante de atenuação;
D0 é um fator estrutural.

A dinâmica na equação acima é não newtoniana e, portanto, a resposta girotrópica depende de q e determina a direção na qual o núcleo se move.

Base de pesquisa

Em seu estudo, os cientistas descrevem a dinâmica de skyrmions e anti-skyrmions em filmes ferromagnéticos ultrafinos. Foi descoberta a ocorrência de momentos orbitais de rotação, que podem levar ao aparecimento de movimentos trochoidais e à geração de um par de skyrmion-antiskirmion. Essa dinâmica é causada pela deformação do núcleo, que por sua vez leva a helicidades dependentes do tempo, que controlam o movimento dos núcleos skyrmion e antiskirmion.


Exemplo de movimento trochoidal (ciclóide estendido)

Usando simulações de spin atômico, modelagem preditiva com redução de variáveis ​​e algoritmos de aprendizado de máquina, foi calculado um diagrama de fase dinâmico que prediz como os momentos de órbita de spin podem controlar o tipo de movimento e também levar à formação de treliças de skyrmion através da introdução de anti-skyrmions.

Simulações da dinâmica de rotações atômicas


Imagem Nº 1

O estudo foi baseado em um substrato de um metal normal e uma camada de um metal de transição ferromagnético (imagem 1a ). Um exemplo dessa substância é a liga PdFe / Ir (111) , na qual a troca anti-simétrica estável na monocamada de ferro ( Fe ) é causada pela ligação interfacial com forte interação órbita de rotação no substrato irídio ( Ir ). Isso permite que skyrmions individuais existam em um estado metaestável.

Também foi revelado que os estados anti-skyrmion também podem ser metaestáveis ​​quando interações frustradas de troca em filmes finos ou amostras a granel são levadas em consideração.

A Figura 1b mostra que as interações de troca ordinárias e antissimétricas têm simetria seis vezes associada à superfície do irídio. Se o poder da interação de troca antissimétrica for reduzido, pode-se alcançar o estado de equilíbrio para os skyrmions ( 1c ) e os antiskirmions ( 1d ).

Os pesquisadores observam que a corrente no plano deve passar através de um metal ferromagnético e um substrato de metal normal. Entretanto, neste caso, a maior parte da corrente passa apenas pelo substrato de irídio, uma vez que a resistividade da camada é muito mais alta precisamente para os ferromagnetos ultrafinos.

1e representa a estrutura hexagonal da rede e a direção dos vetores da interação de troca antissimétrica, que foram utilizados para manter o estado anti-skyrmion.

1f é o estado de equilíbrio de um skyrmion com uma interação de troca antissimétrica e a imagem 1g mostra o estado de equilíbrio de um antiskirmion com uma interação de troca antissimétrica.

Dinâmica de spin e formação de um par de skyrmion-antiskirmion


Imagem No. 2

A Figura 2a mostra as mudanças na velocidade média 〈v〉 de skyrmions e antiskirmions em função do momento da órbita de rotação, onde β _FL = β _DL . Três modos de propagação foram determinados para anti-skyrmions: movimento linear em baixa corrente, movimento desviado em corrente média e movimento trochoidal em alta corrente.

Vale ressaltar que a velocidade dos anti-skyrmions não aumenta paralelamente ao momento da rotação-órbita, como ocorre nos skyrmions.

Os cálculos do comportamento dos skyrmions tornaram possível supor a trajetória dos anti-skyrmions, como mostra a imagem 2b . Três opções de caminho para três modos. As setas indicam a direção do vetor de movimento.

O abstracionismo moderno na imagem 2c é um diagrama de fases de comportamento diferente para diferentes valores e proporções β _FL (força de torque do tipo campo) e β _DL (força de torque "amortecida"). Graças aos algoritmos de aprendizado de máquina, três tipos principais de trajetórias (linear, desviada e trochoidal) foram identificados, cobrindo uma ampla faixa de velocidades e direções de propagação.

Trajetórias trocoidais e desviadas surgem devido à deformação do núcleo do anti-skyrmion. É a trajetória trochoidal que surge com uma gama muito ampla de valores do momento da rotação-órbita.


Imagem 3a

A deformação do núcleo é caracterizada pelo aparecimento de uma variável dinâmica ψ (t) , que indica a helicidade do skyrmion e do anti-skyrmion (imagem 3a , onde q = 1 são skyrmions e q = -1 são anti-skyrmions).

A variável ψ para skyrmions descreve uma transição contínua entre os estados de Bloch e Néel de quiralidade oposta e, para anti-skyrmions, a rotação dos eixos de Bloch e Néel.

No sistema criado pelos pesquisadores, a deformação do núcleo é causada pelo momento da rotação-órbita, que leva a uma inclinação na magnetização no plano do filme, caracterizada pela amplitude η e azimute ϕ _t .

Para rotações externas, a inclinação é a mesma o tempo todo, mas dentro do núcleo antirririon varia dependendo de ψ .

Verificou-se que para β _FL pequeno e β _DL grande, um novo estado dinâmico surge, levando à formação de um par de skyrmion-antiskirmion. Quando o anti-skyrmion passa ao longo de sua trajetória trochoidal, é acompanhado por deformação severa (alongamento do núcleo). Isso pode ser visto na imagem 4a (especificamente, em t = 3 ps). Além disso, esse alongamento, que é um par de skyrmion-antiskirmion, é separado do próprio núcleo.


Imagem No. 4

A Figura 4b mostra a densidade de carga topológica deste processo. No entanto, a existência de um casal não é permanente. Com o tempo, o par começa a decair, uma vez que os momentos de rotação-órbita "forçam" o skyrmion e o anti-skyrmion a se moverem em direções diferentes. Skyrmion se move ao longo de um caminho linear a partir do ponto de formação de pares. O anti -kirmião começa a se mover ao longo de uma trajetória trochoidal, o que leva à formação de um novo par (imagem 4c ). Esse processo é repetido várias vezes, e isso sugere que é possível criar a partir de um único anti-skyrmion longe de um único par, mas de muitos novos pares.

Interação de troca anti-simétrica

Nós já aprendemos anteriormente que trajetórias divergentes e trochoidais eram encontradas apenas em anti-skyrmions. Isso se deve ao fato de a barreira de energia interna (com igual interação de troca antissimétrica, a seguir AOB) do skyrmion ser muito maior, o que é o caso do anti-skyrmion. Ou seja, a assimetria entre cargas topológicas opostas depende da AOB, e não da carga em si.


Dinâmica de skyrmions e anti-skyrmions na ausência de AOW

A importância do AOB é mais clara e fácil de mostrar se não estiver no sistema. Nesse caso, skyrmions e anti-skyrmions continuarão a manter um estado metaestável devido à interação frustrada da troca, o que leva a um estado de equilíbrio ( aeb na imagem acima). Acontece que no sistema não há interação entre o skyrmion e o anti-skyrmion, o que leva à destruição dos estados de Bloch e Néel. Como resultado, o perfil mostrado na imagem a é a única maneira de realizar o estado metaestável do skyrmion, e a imagem b é o estado metaestável do anti-skyrmion.

Na imagem, vemos que há um movimento circular na direção oposta para cargas topológicas opostas.

Como conclusão, é impossível a formação de pares skyrmion-antiskirmion sem interação de troca antissimétrica.

O relatório dos cientistas revela muito mais detalhadamente os recursos de suas pesquisas; portanto, recomendo que você se familiarize com ele.

No processo de trabalhar no material, encontrei um trabalho impressionante: “Introdução aos torques e momentos de rotação das órbitas nas camadas metálicas”. Talvez alguém seja útil, então deixo uma referência.

Epílogo

Este estudo, segundo os cientistas, mostrou a rica dinâmica possível em diferentes momentos de órbita de rotação em filmes ferromagnéticos ultrafinos. Eles chamam os momentos mais importantes de seu trabalho uma descrição do processo de formação de pares (reverso do núcleo do vórtice) e comparação de skyrmions e outros fenômenos do micromagnetismo.

Este trabalho definitivamente se tornará a base para futuras pesquisas, cujo objetivo será a realização da capacidade de escolher a orientação necessária da superfície ou interface para sua adaptação a determinadas propriedades dinâmicas. Isso se tornará uma nova rodada na ciência dos materiais, uma vez que foi dada atenção anterior apenas à determinação quantitativa e ao controle de caminhos de movimento linear para memória e aplicações lógicas baseadas em skyrmions.

Este estudo demonstra a possibilidade da existência de várias dinâmicas diferentes ao mesmo tempo em vários estados metaestáveis ​​em um único sistema material.

Como resultado, esses desenvolvimentos podem se tornar a base para a criação de novos tipos de dispositivos de armazenamento e processamento de informações, o que implicará a própria revolução no mundo da tecnologia da informação.

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