В эпоху взрывного роста объемов данных ученые ищут способы хранить информацию в более компактных и эффективных форматах. Международная группа исследователей, возглавляемая специалистами из Университета Штутгарта, совершила прорыв, обнаружив ранее неизвестное магнитное состояние в ультратонком материале. Это открытие напрямую связано с разработкой магнитных носителей следующего поколения, способных надежно хранить данные при рекордно высокой плотности.
Ученые экспериментировали с хрома йодидом, относящимся к классу двумерных материалов толщиной всего в несколько атомных слоев. Ключевым шагом стало небольшое скручивание двух двухслойных пластин этого материала относительно друг друга. Это, казалось бы, незначительное искажение кристаллической решетки привело к возникновению совершенно новой магнитной конфигурации, которой нет в ровных, нескрученных слоях.
В результате в материале сформировались скирмионы — наноразмерные магнитные вихри, которые обладают топологической защитой и исключительной стабильностью. Топологическая защита — это свойство магнитных структур сохранять свою форму и устойчивость из-за топологических особенностей, аналогично узлу на верёвке. Это делает биты информации, представленные скирмионами, чрезвычайно стабильными против внешних возмущений, таких как магнитные поля или тепловые флуктуации, что критически важно для надёжности и долговечности памяти будущих устройств. Скирмионы считаются одними из самых маленьких и долговечных носителей информации в магнитных системах. Впервые исследователям удалось не только создать, но и напрямую наблюдать скирмионы в скрученном двумерном магните, что открывает путь к принципиально новым устройствам хранения данных.
Однако на пути к коммерческим устройствам памяти на основе скирмионов стоят практические препятствия. К ним относятся температурная стабильность, так как скирмионы существуют только в определённых температурных диапазонах, часто требующих охлаждения. Другими вызовами являются сложность масштабирования для создания плотных массивов высокой ёмкости, необходимость снижения энергии для управления скирмионами и интеграция новых материалов и процессов с существующей электроникой.
Наблюдение за этим слабым магнитным состоянием стало возможным благодаря передовой технологии квантового зондирования. Ученые использовали специальный микроскоп, который применяет NV-центры (дефекты азот-вакансия) в алмазе в качестве сверхчувствительных датчиков магнитного поля. Эта методика, развиваемая в Центре прикладных квантовых технологий (ZAQuant) более двадцати лет, позволила зафиксировать крайне слабые сигналы.
Открытие имеет не только прикладное, но и фундаментальное значение, углубляя понимание коллективного поведения электронов в атомарно тонких материалах. Полученные экспериментальные результаты указывают на то, что существующие теоретические модели магнетизма нуждаются в доработке, чтобы полностью объяснить наблюдаемые явления. В проекте, помимо немецких ученых, участвовали исследователи из Великобритании, Японии, США и Канады.
Источник: Twisted 2D magnet creates skyrmions for ultra dense data storage