Скирмионы

Скирмионы — это топологические магнитные структуры, представляющие собой локализованные вихревые конфигурации спинового поля в ферромагнитных и антиферромагнитных материалах. В отличие от обычных магнитных доменов, скирмионы характеризуются устойчивостью благодаря своей топологической защите: их структура не может быть непрерывно преобразована в однородное состояние без нарушения спиновой топологии.

Топологическая характеристика скирмионов описывается топологическим числом Nsk, которое для двухмерного скирмиона выражается через интеграл по поверхности S:

$$ N_\text{sk} = \frac{1}{4\pi} \int_S \mathbf{m} \cdot \left( \frac{\partial \mathbf{m}}{\partial x} \times \frac{\partial \mathbf{m}}{\partial y} \right) dx dy, $$

где m = M/|M| — единичный вектор намагниченности. Для типичного скирмиона Nsk = ±1, что отражает его вихревую природу и направление вращения спинов.

Механизмы образования

Скирмионы возникают в материалах с сильной Дмиан–Мориа взаимодействием (DMI), которое появляется вследствие отсутствия инверсной симметрии в кристалле или на интерфейсе. Энергия DMI описывается выражением:

EDMI = D ⋅ (Si × Sj),

где D — вектор Дмиан–Мориа, а Si, Sj — соседние спины. DMI способствует крутому вращению спинов и формированию устойчивых вихревых конфигураций.

Другие факторы, влияющие на формирование скирмионов:

  • Анизотропия магнитного материала, задающая предпочтительное направление намагниченности.
  • Внешнее магнитное поле, которое стабилизирует малые скирмионы и регулирует их размер.
  • Термодинамические флуктуации, особенно при близких к температуре Кюри условиях, способствуют образованию скирмионных решеток.

Структура и типы

Скирмионы классифицируются по характеру вращения спинов:

  1. Нёль скирмионы (Néel-type) — спины вращаются радиально относительно центра, создавая конфигурацию «ин- или аут-флюкс».
  2. Блох скирмионы (Bloch-type) — спины вращаются тангенциально по окружности, образуя вихревую структуру.
  3. Антискирмионы — обладают топологическим числом Nsk = 0, но имеют локальные вихревые конфигурации; встречаются в системах с анизотропной DMI.

Радиус скирмиона Rsk определяется балансом обменной энергии, DMI и анизотропии:

$$ R_\text{sk} \sim \frac{A}{D}, $$

где A — константа обменного взаимодействия, D — величина DMI.

Динамика скирмионов

Движение скирмионов под воздействием токов и полей описывается уравнением Токио–Ландау–Лифшица–Гилберта (LLG) с включением адитивного термина для спинового переноса:

$$ \frac{d\mathbf{m}}{dt} = -\gamma \mathbf{m} \times \mathbf{H}_\text{eff} + \alpha \mathbf{m} \times \frac{d\mathbf{m}}{dt} + (\mathbf{u} \cdot \nabla) \mathbf{m} - \beta \mathbf{m} \times (\mathbf{u} \cdot \nabla) \mathbf{m}, $$

где γ — гиромагнитное отношение, α — демпфирующий параметр Гилберта, u — эффективная скорость, пропорциональная плотности тока, а β — параметр неадиабатического переноса спина.

Особенности движения:

  • Скирмионы обладают малой массой и могут двигаться при низких плотностях тока.
  • Движение сопровождается эффектом скирмионного Халла, из-за которого траектория отклоняется от направления тока.
  • Взаимодействие с дефектами и границами приводит к пиннингу и изменению скорости.

Скирмионные решетки и взаимодействия

При определенных условиях скирмионы могут формировать регулярные решетки (skyrmion lattices), аналогичные кристаллическим структурам. Взаимодействие между скирмионами носит сложный характер:

  • Обменное взаимодействие, которое может быть как притягивающим, так и отталкивающим.
  • Магнитное диполь–дипольное взаимодействие, влияющее на расположение скирмионов в пленках.
  • Энергия анизотропии и границы материала, которая задает локальное распределение скирмионов.

Размер скирмионной решетки обычно находится в диапазоне от 10 до 100 нм, что делает их перспективными для наноспинтронных устройств.

Применение скирмионов

Скирмионы рассматриваются как базовые элементы для новых технологий хранения и обработки информации:

  • Скирмионные памяти (racetrack memory): использование движения скирмионов вдоль нанопроводов для записи и чтения информации.
  • Логические элементы: топологическая устойчивость обеспечивает низкую энергию переключения.
  • Нейроморфные устройства: возможность реализации искусственных синаптических сетей.

Основные преимущества скирмионов:

  • Малые размеры (наноразмерные объекты).
  • Низкая плотность энергии для перемещения.
  • Устойчивость к дефектам материала благодаря топологической защите.
Оглавление