Высокоскоростные инерционные доменные стенки, приводимые в движение переносом спина, в ферримагнитном шпинельном оксиде

Гоночные стенки внутри будущих микросхем памяти

Современные устройства требуют памяти, которая может быстро переключаться, расходуя как можно меньше энергии. В этой работе изучается особый магнитный материал, в котором невидимые границы внутри магнита — доменные стенки — можно толкать с рекордной скоростью короткими электрическими импульсами. Понимание и управление этими крошечными движущимися стенками может привести к более быстрым и менее греющимся чипам памяти и логики, которые хранят и обрабатывают информацию новыми способами.

Новый вид магнитной «трассы»

Инженеры давно мечтают о «racetrack»-памяти, где биты информации хранятся в виде магнитных областей вдоль узкой полосы и сдвигаются туда и обратно вместо механического перемещения. Задача — быстро перемещать эти области с помощью умеренных электрических токов. В этой работе авторы сосредоточились на ферримагнитном оксиде NiCo2O4, выращенном в виде ультратонкой плёнки на кристаллической подложке. Этот материал сочетает низкую суммарную намагниченность с высокой электрической проводимостью и высокой поляризацией спинов электронов — параметры, которые теория предсказывает как благоприятные для быстрого и энергоэффективного движения доменных стенок.

Наблюдение скрытых магнитных границ

Прежде чем сдвигать стенки, команда сначала изучила их форму и внутренний кручёный профиль. Они использовали сканирующий сенсор на основе одиночного дефекта в алмазе, чтобы с нанометровой точностью отобразить крошечные магнитные поля над плёнкой. Подгоняя эти картирования поля, выяснили, что стенки имеют тип Блоха, то есть вектор намагниченности поворачивается в бок при переходе через стенку. Измерения также показали, что другое взаимодействие, часто приводящее к искажению стенок в иной тип, здесь практически отсутствует. Такая упорядоченная структура стенки облегчает предсказуемость её движения при приложении тока.

Толкание стенок мягкими электрическими потоками

Для приведения стенок в движение исследователи посылали короткие импульсы тока вдоль структурированных полосок материала и наблюдали за результирующим смещением с помощью микроскопа, фиксирующего малые изменения отражённого света. Они наблюдали движение стенок в направлении тока со скоростями свыше одного километра в секунду при плотности тока, ниже, чем во многих конкурирующих материалах. Ещё более показательно, что стенки начинали двигаться с ощутимыми скоростями при токах, в один-два порядка величины меньших, чем обычно требуемые. Тщательно сравнив движение для противоположных направлений тока и магнитного поля, команда показала, что главной движущей силой является перенос спина (spin-transfer torque) — процесс, при котором спины электронов в токе воздействуют на локальную намагниченность.

Инерция и эффективное движение на наноуровне

Когда импульс тока завершался, стенки в этом материале не останавливались мгновенно. Вместо этого они продолжали скользить около наносекунды, что указывает на наличие инерции, сходной с крошечным объектом с массой. Варьируя длительность импульса, исследователи увидели, что более короткие импульсы фактически давали большую среднюю скорость, поскольку значительная часть движения происходила после выключения импульса. Такое поведение позволило им оценить скорость разгона и торможения стенок, выявив характерное время порядка одной наносекунды, короче, чем у многих ферромагнетиков. Из этих измерений также были получены параметры, указывающие на то, что неадиабатическая компонента крутящего момента, особенно сильная в ферримагнитных системах, в этом оксиде необычно велика.

Что это значит для будущих устройств

Суммируя результаты, NiCo2O4 выделяется как материал, в котором доменные стенки перемещаются очень быстро при относительно низких токах, а их инерция и внутренняя структура теперь количественно поняты. По сравнению с другими металлами и оксидами, используемыми для подобных устройств, этот шпинельный оксид предлагает привлекательный баланс между скоростью и энергозатратами при сдвиге битов по магнитной «трассе». Поскольку он также поддерживает оптическое управление с помощью ультракоротких лазерных импульсов, этот класс ферримагнитных шпинельных материалов может лечь в основу будущих технологий памяти и вычислений, объединяющих электрическое и оптическое управление магнетизмом.

Цитирование: Wu, M., Ding, S., van Schie, L. et al. High-mobility inertial domain walls driven by spin-transfer torque in a ferrimagnetic spinel oxide. Nat Commun 17, 4672 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71290-6

Ключевые слова: спинтроника, движение доменных стенок, ферримагнитный оксид, перенос спина (spin-transfer torque), память типа racetrack