Международная команда физиков изучила энергетическую структуру спирального антиферромагнетика GdRu2Si2. Были обнаружены новые особенности, что позволит улучшить приборы, использующие магнитную память.
Поверхность Ферми GdRu2Si2 в парамагнитной фазе, представленная в первой зоне Бриллюэна (а) и в базисе обратной решетки (b). (с) Расчетные и экспериментальные проекции поверхности Ферми на грань (001) / Nanoscale Advances
Работа опубликована в журнале Nanoscale Advances. Ежегодно на планете создаются и собираются сотни петабайт данных, которые надо где-то хранить. Используемые сейчас устройства, например типов hdd и ssd, имеют недостатки в виде относительной хрупкости и ограниченности в возможности хранения данных. Одним из следующих этапов развития данной отрасли может служить переход к магнитным накопителям, использующим небольшие «вихри». Эти магнитные вихри, называемые скирмионами, образуются в некоторых веществах и могут иметь размер в миллиардные доли метра.
Как показывают исследования, скирмионы оказались чрезвычайно устойчивы к внешним воздействиям. Еще одной их важной особенностью является то, что ученые могут контролировать их поведение, изменяя температуру или применяя электрический ток. Однако эта область остается еще довольно слабо изученной, и необходимы исследования, направленные на улучшение понимания свойств и устройства таких веществ.
Сергей Еремеев, ведущий научный сотрудник ИФПМ СО РАН, поясняет: «Центросимметричный антиферромагнетик GdRu2Si2 хорошо известен с начала 1980-х годов. Недавно он вернулся в поле зрения исследовательских проектов с открытием квадратной магнитной решетки скирмиона без геометрически нарушенной симметрии. Эта фаза скирмиона появляется во внешнем магнитном поле 2–2,5 Тл при температуре ниже 20 К. Хотя магнитные свойства материала на протяжении многих лет изучались очень подробно, появление фазы скирмиона возобновило и активизировало дискуссии, особенно касающиеся особенностей появления скирмионов».
Задачей ученых было исследование свойств этого материала и предсказание возможных кандидатов, которые могли бы обнаружить необычные свойства магнитных скирмионов, а также получение подробной информации о поверхностных и объемных электронных структурах и, самое главное, о том, как электронная структура модифицируется при изменении температуры.
Были выращены монокристаллы GdRu2Si2 высокой чистоты и структурного качества. Образцы скалывали в сверхвысоком вакууме и проводили исследование их электронной энергетической структуры при различных температурах с помощью фотоэлектронной спектроскопии. Использование синхротронного излучения позволило получить данные высокого качества. Экспериментальные результаты сопоставлялись с расчетами электронной структуры, выполненными в рамках теории функционала плотности.
Таким образом, авторы исследовали объемную и поверхностную электронную структуру материала GdRu2Si2. Хорошее согласие экспериментальных и теоретических результатов позволило детально охарактеризовать свойства и орбитальный состав поверхности Ферми GdRu2Si2. Удалось выяснить, что лежащая в основе образования решетки скирмионов спиральная магнитная структура материала обусловлена особенной геометрией поверхности Ферми.
В частности, главную роль играют участки поверхности Ферми, отмеченные красной стрелкой на изображении выше. Именно они отвечают за необычное магнитное взаимодействие, приводящее к образованию магнитных вихрей. Хотя в GdRu2Si2 фаза скирмионов возникает при довольно низкой температуре, глубокое понимание лежащей в основе физики скирмионов в центросимметричных системах может помочь предсказать новые материалы, в которых скирмионы наноразмера могут появиться при существенно более высокой температуре, а возможно, даже при комнатной.
Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, добавляет: «Недавно в этом материале была обнаружена квадратная решетка скирмионов. Решетка имеет период 1,9 нм и наименьший размер скирмионов, наблюдаемый на сегодняшний день. Таким образом, материал является привлекательным для разработки устройств магнитной памяти нового поколения с высокой плотностью записи и низким энергопотреблением. В дальнейшем мы планируем применить сканирующую туннельную микроскопию со спиновым разрешением, развитую у нас в центре, для визуализации магнитной текстуры поверхности в прямом пространстве».
Работу провела международная команда ученых из Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск), СПбГУ, МФТИ, МИСиС, ВНИИА имени Н. Л. Духова, из Германии: Технического университета Дрездена, Франкфуртского университета имени Гете — и Испании: Университета Страны Басков, Центра физики материалов города Сан-Себастьян, Международного физического центра Доностии, Фонда Икербаск, а также Университета имени Иоганна Кеплера (Австрия) и Технического университета Чалмерс (Швеция).
