Индуцированные светом вибероны в хиральном магните

Записывание крошечных магнитных вихрей светом

Современные компьютеры перемещают информацию с помощью электрических зарядов, что приводит к потере энергии в виде тепла. Физики исследуют новые способы хранения и передачи данных с помощью устойчивых, закрученных магнитных структур, которые ведут себя как частицы. В этом исследовании показано, что ультракороткие лазерные вспышки могут надежно «записывать» особый вид магнитного вихря, называемый вибероном, в тонкую кристаллическую пластинку при комнатной температуре, и что эти вихри можно настраивать при помощи умеренного магнитного поля. Работа указывает путь к будущим энергоэффективным устройствам памяти и логики, управляемым светом вместо проводов.

Малые магнитные узлы как носители информации

В некоторых магнитах мельчайшие атомные магнитики не выстраиваются все в одну линию; вместо этого они закручиваются в миниатюрные воронки, называемые топологическими спиновыми текстурами. Поскольку такие скрутки нельзя размотать без значительной перестройки, эти структуры необычно стабильны и могут выступать в роли надежных битов информации. Наиболее известные примеры — скьермионы, округлые вихри в магнетиках, предпочтительно направленные вне плоскости. В материалах, где спины склонны лежать в плоскости, могут образовываться родственные объекты, называемые меронами и виберонами. Виберон по сути представляет собой связанную пару полу‑вихрей, которые вместе ведут себя как частица. Они привлекательны для будущей электроники и спинтроники, поскольку в принципе их можно перемещать малыми электрическими токами, упаковывать плотно и использовать на наноуровне, не подверженные легкому распаду.

Создание магнитных вихрей с помощью лазерных вспышек

Исследователи работали с тонкими пластинами хирального магнита на основе кобальта, цинка и марганца (Co₈Zn₈Mn₄). В этом материале внутренняя скручивающаяся взаимодействие естественно способствует спиральным магнитным структурам, а магнитный порядок сохраняется выше комнатной температуры. Команда приготовила тонкие образцы толщиной всего 90–200 нанометров и наблюдала их магнетизм прямо в просвечивающем электронном микроскопе, способном отображать магнитные структуры. Затем они направляли одиночные фемтосекундные (одна квадриллионная доля секунды) лазерные импульсы на образец. Каждый импульс нагревал магнит очень быстро, временно разрушая упорядоченный рисунок и переводя систему в неупорядоченное, высокоэнергетическое состояние. По мере остывания образца за наносекунды — пикосекунды магнитизация реорганизовывалась, и в процессе релаксации возникали стабильные вибероны.

Настройка виберонов мягким магнитным полем

При приложении небольшого магнитного поля, перпендикулярного тонкой пластине, команда могла управлять типом и количеством образующихся виберонов. При нулевом поле лазерные импульсы создавали смесь двух зеркальных версий виберонов. Даже умеренные поля в несколько десятков миллиТесла сдвигали энергетический баланс в пользу одного типа, и он становился доминирующим. По мере увеличения поля число виберонов сначала росло до максимума, а затем падало, исчезая при превышении порогового поля. Тщательные эксперименты на пластинах разной толщины показали, что, несмотря на изменения во внешнем виде паттернов в микроскопе, их трехмерные магнитные скрутки топологически одинаковы. Иными словами, ключевой «тип узла» виберона не зависел от толщины пластины.

Приближенный взгляд на внутреннюю магнитную структуру

Параллельно с визуализацией команда провела детальные компьютерные симуляции поведения магнита, используя микромагнитную модель, включающую скручивающее взаимодействие, обычную магнитную жесткость и влияние формы образца. Они также учли тонкий поврежденный поверхностный слой, появляющийся при обработке, где скручивающее взаимодействие ослаблено. Начиная с случайного расположения спинов, симуляции релаксировали в низкоэнергетические состояния и давали паттерны виберонов, близкие к экспериментальным изображениям по плотности и контрасту. Вычисления показали, как каждый виберон строится из двух связанных меронов разной формы и как по мере роста поля окружающее магнитное фоновое поле постепенно выпрямляется от наклонного, конусовидного рисунка к полностью однородному состоянию.

От виберонов к скьермионам и к будущим устройствам

При дальнейшем увеличении магнитного поля в симуляциях исследователи наблюдали плавную трансформацию виберонов в более симметричные скьермионы, как только окружающая намагниченность становилась полностью выровненной. В реальном эксперименте при комнатной температуре тепловые флуктуации приводили к тому, что вибероны разрушались до того, как можно было увидеть эту конечную переходную стадию, но согласие между теорией и измерениями поддерживает единую картину, рассматривающую вибероны и скьермионы как тесно связанные топологические объекты. В целом работа демонстрирует, что один ультракороткий световой импульс может надежно записать управляемые паттерны виберонов в пленке с намагниченностью в плоскости. Такое оптическое управление долговечными магнитными узлами представляет собой ключевой шаг к будущим технологиям памяти и вычислений, использующим свет и магнетизм для обработки информации с существенно меньшим энергопотреблением, чем у современных электронных устройств.

Цитирование: 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

Ключевые слова: вибероны, ультрафастовый лазер, топологическая магнетизм, спинтроника, скьермионы