Исследователи из Университета штата Флорида вырастили новый кристалл с необычными магнитными узорами — скирмионоподобными спиновыми текстурами. Открытие может изменить подход к хранению данных и квантовым вычислениям.
Как устроен новый кристалл
В любом магнитном материале атомы ведут себя как крошечные магнитики — это свойство называется спином. Обычно в магнитах спины атомов выстраиваются в одну или в противоположные стороны, и именно так работают магниты в компьютерах и телефонах. В новом кристалле всё иначе: спины образуют повторяющиеся завихрения — спиновые текстуры.
Ученые соединили два химически близких соединения с разной симметрией кристаллической решетки: одно на основе марганца, кобальта и германия, другое — на основе марганца, кобальта и мышьяка. Германий и мышьяк соседствуют в таблице Менделеева. Из-за несоответствия структур возникает «фрустрация» — состояние, при котором обе структуры нестабильны на границе смешения, и именно это заставляет спины закручиваться.
Методы исследования
Чтобы точно определить магнитную структуру полученного вещества, команда использовала метод дифракции нейтронов на монокристаллах. Данные собирали на приборе TOPAZ в Окриджской национальной лаборатории США. Ведущий специалист по нейтронному рассеянию Сяопин Ван поясняет: «Благодаря данным TOPAZ и новым инструментам машинного обучения мы теперь можем решать очень сложные магнитные структуры с гораздо большей уверенностью».
Зачем это нужно
На перемещение скирмионов с помощью магнитов тратится очень мало энергии — скирмионные текстуры примерно в 10–100 раз экономичнее по энергии передвижения, чем доменные границы в классических магнетиках. Если вставить материалы с такими узорами в электронику, можно будет создавать жесткие диски с гораздо большей плотностью записи, а сами устройства станут энергоэффективнее. В огромных суперкомпьютерах снижение энергопотребления даст колоссальную экономию на электричестве и охлаждении.
Еще одно перспективное направление — квантовые вычисления, устойчивые к ошибкам. Новые материалы помогут защитить хрупкую квантовую информацию и сделать квантовые компьютеры надежными, несмотря на шумы и сбои.
Новый подход к поиску материалов
Раньше поиск скирмионов напоминал охоту: ученые перебирали готовые материалы и проверяли их свойства. Профессор Майкл Шатрук объясняет идею по-другому: «Мы подумали: если структуры конкурируют, может, это заставит спины закручиваться? Давайте найдем структуры, которые химически очень близки, но отличаются по симметрии».
Аспирант Иэн Кэмпбелл уточняет суть подхода: «Идея в том, чтобы научиться предсказывать, где возникнут эти сложные спиновые текстуры. Физики обычно ищут известные материалы с нужной симметрией и измеряют их свойства. Но это ограничивает круг возможностей. Мы пытаемся получить предсказательную способность: если добавить одно к другому, образуется новый материал с нужными свойствами».
Ограничения и перспективы
Главный открытый вопрос — при каких температурах и магнитных полях существуют найденные текстуры. Многие перспективные спиновые структуры живут либо при сверхнизких температурах (ниже −200 °C), либо в узком диапазоне магнитных полей. Если рабочий диапазон нового материала окажется слишком узким, практическая ценность резко снизится. Авторы исследования, опубликованного в журнале Американского химического общества, пока не сообщают, стабильны ли завихрения при комнатной температуре.
Исходные элементы — марганец, кобальт, германий и мышьяк — достаточно распространены, однако выращивание сложных кристаллов требует дорогого оборудования, включая нейтронные источники стоимостью в миллионы долларов. При этом сам «химический» подход удешевляет поиск: вместо случайного перебора ученые осознанно смешивают близкие соединения. Массовое применение технологии в потребительской электронике эксперты оценивают горизонтом в 7–10 лет, а в квантовых компьютерах — в 10–15 лет.
