Российские физики нашли способ управлять магнитными свойствами квадратных наночастиц, расположенных по узлам плоской квадратной решетки. Если такие наночастицы расположить достаточно близко друг к другу, то в них можно контролируемо менять ориентацию магнитного момента и хиральность магнитного вихря, переводя всю системы в одну из четырех возможных конфигураций. В будущем такие системы могут использоваться для записи и хранения информации в спинтронных устройствах, пишут ученые в The European Physical Journal B.

Один из основных способов хранения информации — использование магнитных элементов памяти. Для миниатюризации магнитных систем записи информации их предлагают делать из совсем небольших магнитных частиц — микрометрового или даже нанометрового размера. Однако получать упорядоченные массивы из магнитных наноэлементов — задача довольно сложная. Это связано с тем, что ориентацию магнитных моментов отдельных элементов, которые и служат переносчиком информации, очень тяжело сначала зафиксировать, а потом контролировать. Для решения этой проблемы ученые предлагают несколько различных подходов: например, использовать системы искусственного спинового льда, в которых движение анизотропных магнитных наночастиц ограничено, и магнитный момент каждой частицы фактически может быть ориентирован только в двух направлениях.

Российские физики под руководством Виталия Орлова (Vitaly A. Orlov) из Института физики имени Киренского Сибирского отделения РАН нашли другой способ для управления намагниченностью микронных наночастиц в упорядоченной системе. Ученые предложили использовать квадратные частицы, расположенные по узлам квадратной же двумерной решетки. При наличии внешнего магнитного поля магнитный момент внутри каждой такой частицы распределен в виде вихря с выраженным магнитным ядром.

Распределение намагниченности внутри таких частиц определяется балансом между обменной энергией и стремлением к размагничиванию, который приводит к возникновению в ядре магнитного момента, перпендикулярного плоскости самой частицы. Поскольку сами частицы плоские и все ориентированы одинаковым образом, то направлений у магнитного момента ядра может быть два — вверх и вниз. Кроме того, если ядро вихря смещено относительно центра квадратной частицы, то сила размагничивания приводит к вращению вихря с частотой в сотни мегагерц. Если же вращение всех вихрей синхронизировать, то система может войти в резонанс, благодаря которому можно упорядочивать как направление магнитного момента ядра, так и хиральность намагниченности частиц (то есть направление, в котором магнитные моменты внутри частиц будут закручены).

Элемент квадратной решетки квадратных наномагнитов. Изображение структуры намагниченности частиц получено с помощью туннельной микроскопии. P. D. Kim et al./ The European Physical Journal B, 2018

Эту идею физики смогли реализовать экспериментально на массиве квадратных частиц пермаллоя — магнитного сплава никеля и железа — со стороной 3 микрометра и толщиной 12 нанометров, нанесенных на кремниевую подложку. С помощью переменного внешнего магнитного поля частотой 415 мегагерц в таких частицах ученым удалось вызвать кооперативное движение магнитных вихрей. Авторы работы отмечают, что этот режим активируется только при определенном расстоянии между частицами — около семи микрометров. Меняя частоту и напряженность поля, можно контролировать полярность и хиральность частиц в массиве, ориентируя соседние частицы (как по полярности, так и по хиральности) либо одинаковым, либо противоположным образом.

Ученые отмечают, что поскольку между частицами нет непосредственного контакта или магнитного мостика, то природа этого взаимодействия чисто магнитостатическая. Этот механизм физики также исследовали теоретически и, описав процесс расщепления ферромагнитного резонанса, смоделировали возможные конфигурации в такой системе.

Две из четырех возможных конфигураций системы, полученные с помощью численного моделирования. Кружком в центре каждой ячейки показано магнитное ядро (его цвет соответствует направлению магнитного момента), а вокруг него — карта намагниченности частицы. P. D. Kim et al./ The European Physical Journal B, 2018

Оказалось, что магнитостатическое взаимодействие действительно позволяет получить четыре различных комбинации хиральности и полярности соседних вихрей на квадратной решетке, переходом между которыми можно управлять, переходя от одной резонансной частоты внешнего магнитного поля к другой.

По словам авторов работы, наличие четырех резонансных колебательных режимов в плотном двумерном массиве магнитных частиц дает такие системы перспективными, например, для спинтронных устройств. При этом, если на квадратной решетке возможные состояния ограничиваются шахматными конфигурациями, то в решетках других типов возможны и другие симметричные и несимметричные типы распределений.

В качестве миниатюрных магнитов в упорядоченных магнитных системах можно использовать не только наночастицы, но даже и отдельные молекулы. Они, правда, пока могут работать только при очень низких температурах — сейчас максимальная температура, при которой у у отдельных молекул наблюдаются магнитные свойства, не превышает 60 кельвинов. А при температуре около 1,2 кельвина физики добились еще более плотной магнитной записи информации — с разрешением 1 бит на 1 атом.

Автор: Александр Дубов