Теперь исследовательская группа в Сингапуре использовала компьютерное моделирование для дальнейшего изучения поведения скирмионов, получая информацию, которая может помочь ученым и инженерам лучше изучать квазичастицы в экспериментах. Новые результаты, опубликованные в AIP Advances от AIP Publishing, также могут привести к созданию устройств на основе скирмионов, таких как микроволновые нано-осцилляторы, которые используются в ряде приложений, включая беспроводную связь, системы визуализации, радары и GPS.
«Его уникальные свойства, например, теоретически могут позволить ноутбукам с жесткими дисками размером с арахис, но при этом потреблять мало энергии», — сказал Мэн Хау Куок из Национального университета Сингапура и один из авторов работы.Наблюдавшиеся в 2009 году скирмионы возникают в результате коллективного поведения электронов в магнитных материалах при определенных условиях. Благодаря своим спинам электроны действуют как крошечные магниты, где их магнитные полюса совпадают со спинами. Явление, называемое взаимодействием Дзялошинского-Мориа (DMI), которое возникает на границе раздела между магнитным слоем и немагнитным металлом, наклоняет спины и выстраивает их в круговые узоры.
Эти круговые расположения спинов, которые в совокупности ведут себя как частицы, являются скирмионами.Хотя исследователи изучили, как ведут себя группы скирмионов, мало что известно об их внутреннем поведении, сказал Куок. В частности, физики не до конца понимают три основных режима частиц, которые аналогичны основным колебательным модам гитарной струны, соответствующим различным музыкальным нотам.
Как и эти ноты, каждая мода скирмиона связана с определенной частотой.«Эти режимы можно представить как круговые модели вращений, танцующих синхронно», — сказал Куок.
Понимание режимов необходимо для понимания того, как частицы будут вести себя.В одном из режимов, называемом режимом дыхания, последовательность вращений попеременно расширяется и сжимается. В двух других режимах круговое расположение спинов вращается по часовой стрелке и против часовой стрелки соответственно.
Исследователи сосредоточили свое внимание на типе скирмиона, называемом скирмионом Нееля, который существует в ультратонких пленках, нанесенных на металлы с сильным DMI. Используя компьютер, они смоделировали, как DMI и внешние магнитные поля различной силы влияют на режимы и свойства частиц. Они обнаружили, что при одинаковой силе DMI и в кристаллической фазе частоты, соответствующие каждой моде, по-разному зависят от напряженности магнитного поля.Увеличение магнитного поля также побуждает скирмионы изменять фазу относительно друг друга, от упорядоченных массивов, подобных кристаллу, до беспорядочно распределенных и изолированных.
Исследователи обнаружили, что три режима по-разному реагируют на этот фазовый переход.К удивлению, сказал Куок, все три режима могут существовать в кристаллической фазе, в то время как режим вращения по часовой стрелке не существует в изолированной фазе. Одна из причин, как показало моделирование, может заключаться в том, что скирмионы в изолированной фазе находятся дальше друг от друга, чем в кристаллической фазе.
Если скирмионы находятся слишком далеко друг от друга, они не могут взаимодействовать. Это взаимодействие может быть необходимо для режима вращения по часовой стрелке, сказал Куок.Поскольку частоты мод скирмионов находятся в микроволновом диапазоне, квазичастицы могут быть использованы для новых микроволновых нано-осцилляторов, которые являются важными строительными блоками для микроволновых интегральных схем.Микроволновый нано-осциллятор на основе скирмионов мог работать на трех резонансных частотах, соответствующих трем модам.
Увеличение магнитного поля снизит резонансные частоты режимов дыхания и вращения по часовой стрелке с разной скоростью, но увеличит резонансную частоту режима вращения против часовой стрелки. Такое устройство на основе скирмионов будет более компактным, стабильным и потребует меньше энергии, чем обычные электронные нано-осцилляторы.
Но прежде чем скирмионы попадут в устройства, исследователям все еще необходимо разработать их конкретные желаемые свойства, такие как размер, и точно настроить их динамические свойства. «Наши результаты могут дать теоретическое представление о решении этих проблем», — сказал Куок.