Топологические магнитные фазы представляют собой состояния магнитных систем, свойства которых определяются не локальной симметрией, а глобальными топологическими инвариантами. Такие состояния устойчивы к локальным возмущениям и дефектам кристаллической решётки, что делает их особенно интересными для спинтронных приложений.
В отличие от обычных ферромагнетиков и антиферромагнетиков, где спиновая упорядоченность описывается локальным магнитным моментом, топологические магнитные структуры характеризуются непрерывными конфигурациями спинов, имеющими ненулевой топологический заряд. Классическим примером является скирмион — квантованная топологическая структура, обладающая фиксированным топологическим числом, которая может существовать в двумерных магнитных пленках.
2.1 Скримоны Скирмионы — это вихревые спиновые структуры с топологическим числом Nsk, которое определяется интегралом:
$$ N_{\text{sk}} = \frac{1}{4\pi} \int \mathbf{m} \cdot \left(\frac{\partial \mathbf{m}}{\partial x} \times \frac{\partial \mathbf{m}}{\partial y}\right) dx\, dy $$
где m — единичный вектор направления спина.
Ключевые свойства скримонов:
2.2 Вихревые и антивихревые конфигурации Вихри — это локальные спиновые структуры с циркулярной ориентацией спинов. Антивихри имеют противоположное направление вращения спинов. В системах с сильной спин-орбитальной взаимодействием и асимметричной обменной интеракцией Дми (Dzyaloshinskii-Moriya interaction) такие конфигурации могут стабилизироваться на нанометровых масштабах.
2.3 Бобины и мероны Бобины — трехмерные топологические структуры, где спины завиты вокруг цилиндрической оси. Мероны — «половинчатые» топологические дефекты с топологическим зарядом 1/2. Эти структуры особенно важны для квантовых спинтронных систем и в магнетических тонкопленках с анизотропией.
3.1 Ассиметричная обменная интеракция (DMI) Эффект Дми возникает в системах без центров инверсии и описывается гамильтонианом:
HDMI = ∑i, jDij ⋅ (Si × Sj)
где Dij — вектор Дми, Si и Sj — спины соседних атомов. DMI обеспечивает вращение спинов и формирование вихревых структур.
3.2 Магнитная анизотропия Анизотропия кристалла и спиновой системы играет ключевую роль в стабилизации топологических дефектов. Удержание спинов вдоль предпочтительных осей предотвращает их распад под действием тепловых флуктуаций.
3.3 Внешнее магнитное поле При наложении магнитного поля возникают новые устойчивые конфигурации, например, скримонные решётки (skyrmion lattices), где множество скримонов упорядочены в регулярную двумерную структуру.
4.1 Транспорт скримонов Скирмионы демонстрируют уникальные свойства транспортировки под действием спин-поляризованного тока, включая скирмионный эффект Холла, при котором движение скримона отклоняется от направления тока.
4.2 Влияние тепловых флуктуаций Топологические дефекты обладают энергетическим барьером, предотвращающим их разрушение при умеренных температурах. При повышении температуры возможны процессы аннигиляции и рекомбинации скримонов и антивихрей.
4.3 Взаимодействие с дефектами кристалла В отличие от обычных магнитных доменов, скримоны могут обтекать дефекты, что обеспечивает их стабильность в реальных материалах.