Bimerony indukowane światłem w magnetyku chiralnym

Pisanie maleńkich magnetycznych wirow za pomocą światła

Współczesne komputery przenoszą informacje za pomocą ładunków elektrycznych, co powoduje straty energii w postaci ciepła. Fizykowie poszukują nowych metod przechowywania i przesyłania danych z użyciem stabilnych, wirujących wzorców magnetycznych zachowujących się jak cząstki. W badaniu tym wykazano, że ultraszybkie błyski laserowe mogą niezawodnie „zapisać” specjalny rodzaj magnetycznego wiru, zwany bimeronem, w cienkim krysztale w temperaturze pokojowej, a te wiry da się regulować przy pomocy umiarkowanego pola magnetycznego. Praca wskazuje drogę ku przyszłym niskoenergetycznym pamięciom i układom logicznym sterowanym światłem zamiast przewodami.

Małe magnetyczne supły jako nośniki informacji

W niektórych magnesach drobne magnety atomowe nie układają się równolegle; zamiast tego skręcają się w miniaturowe wiry zwane topologicznymi teksturami spinowymi. Ponieważ tych skrętów nie da się odwrócić bez dużej przebudowy, struktury te są wyjątkowo stabilne i mogą pełnić rolę trwałych bitów informacji. Najlepiej znane są skyrmiony — okrągłe wiry w magnetykach, których preferowany kierunek magnetyzacji jest prostopadły do płaszczyzny. W materiałach, gdzie spiny wolą leżeć w płaszczyźnie, mogą tworzyć się spokrewnione obiekty zwane meronami i bimeronami. Bimeron jest w praktyce związanym parą połówek wiru, które razem zachowują się jak cząstka. Są atrakcyjne dla przyszłej elektroniki i spintroniki, ponieważ w zasadzie można nimi przesuwać za pomocą niewielkich prądów elektrycznych, gęsto upakowywać i stosować na skali nanometrowej bez łatwego rozpadania się.

Użycie błysków laserowych do tworzenia magnetycznych wirów

Naukowcy pracowali z cienkimi płytkami magnetyka chiralnego wykonanego z kobaltu, cynku i manganu (Co₈Zn₈Mn₄). W tym materiale wewnętrzne oddziaływanie skręcające sprzyja naturalnie spiralnym wzorcom magnetycznym, a uporządkowanie magnetyczne utrzymuje się powyżej temperatury pokojowej. Zespół przygotował cienkie płaty o grubości zaledwie 90–200 nanometrów i obserwował ich magnetyzm bezpośrednio w transmisyjnym mikroskopie elektronowym zdolnym do obrazowania struktur magnetycznych. Następnie wystrzeliwali pojedyncze impulsy laserowe o długości femtosekundy (jedna biliardtna sekundy) w kierunku próbki. Każdy impuls ogrzewał magnes niezwykle szybko, tymczasowo zaburzając jego uporządkowany wzorzec i wprawiając go w nieuporządkowany, wysokoenergetyczny stan. Gdy próbka schładzała się w ciągu miliardowych do milionowych części sekundy, magnetyzacja reorganizowała się, a stabilne bimerony wyłaniały się w miarę relaksacji układu.

Strojenie bimeronów delikatnym polem magnetycznym

Przyłożenie niewielkiego pola magnetycznego prostopadle do cienkiej płytki pozwalało zespołowi sterować, jaki typ i ile bimeronów powstaje. Przy zerowym polu impulsy laserowe wytwarzały mieszaninę dwóch lustrzanych wersji bimeronów. Nawet umiarkowane pola rzędu kilkudziesięciu millitesli przechylały bilans energetyczny tak, że jeden typ stawał się bardziej korzystny i dominował w strukturze. W miarę wzrostu pola liczba bimeronów najpierw rosła do maksimum, a potem malała, znikając powyżej pewnego progu pola. Dokładne eksperymenty na płytkach o różnych grubościach wykazały, że pomimo zmian w wyglądzie wzorców w mikroskopie, leżące u ich podstaw trójwymiarowe skręty magnetyczne były topologicznie takie same. Innymi słowy, zasadniczy „typ supła” bimeronu nie zależał od grubości płytki.

Powiększanie wewnętrznej struktury magnetycznej

Obok obrazowania zespół przeprowadził szczegółowe symulacje komputerowe zachowania magnetyka, używając modelu mikromagnetycznego obejmującego oddziaływanie skręcające, zwyczajną sztywność magnetyczną oraz wpływ kształtu próbki. Uwzględniono też cienką, uszkodzoną warstwę powierzchniową powstałą podczas wytwarzania, w której oddziaływanie skręcające jest osłabione. Zaczynając od losowego rozmieszczenia spinów, symulacje relaksowały się w kierunku stanów o niskiej energii i generowały wzory bimeronów bardzo podobne do eksperymentalnych obrazów, zarówno pod względem gęstości, jak i kontrastu. Obliczenia ujawniły, jak każdy bimeron zbudowany jest z dwóch połączonych meronów o różnych kształtach oraz jak, wraz ze wzrostem pola, otaczające tło magnetyczne stopniowo prostuje się z przechylonego, stożkowego wzorca w kierunku stanu w pełni jednorodnego.

Od bimeronów do skyrmionów i przyszłych urządzeń

Podnosząc pole magnetyczne w symulacjach, badacze zaobserwowali płynne przekształcenie bimeronów w bardziej symetryczne skyrmiony, gdy otaczająca magnetyzacja stała się w pełni wyrównana. W rzeczywistym eksperymencie w temperaturze pokojowej fluktuacje termiczne powodowały zapadanie się bimeronów zanim dało się zaobserwować tę końcową transformację, ale zgodność między teorią a pomiarami wspiera zunifikowany obraz traktujący bimerony i skyrmiony jako blisko spokrewnione obiekty topologiczne. Ogólnie praca pokazuje, że pojedynczy ultraszybki impuls świetlny może niezawodnie zapisać sterowalne wzory bimeronów w filmie z magnetyzacją w płaszczyźnie. Ta optyczna kontrola trwałych magnetycznych supłów stanowi kluczowy krok w kierunku przyszłych technologii pamięci i przetwarzania informacji wykorzystujących światło i magnetyzm do działania przy znacznie niższym zużyciu energii niż dzisiejsza elektronika.

Cytowanie: Zhu, K., Rybakov, F.N., Wang, Z. et al. Light-induced bimerons in a chiral magnet. Nat Commun 17, 3185 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71291-5

Słowa kluczowe: bimerony, ultraszybki laser, magnetyzm topologiczny, spintronika, skyrmiony