Гибридные магнитные скирмионы с почти нулевым транспортным углом и электрическим управлением в двумерном мультиферроике

Вихревые узоры для электроники будущего

Внутри некоторых магнитных материалов маленькие магнитные вихри, называемые скирмионами, могут выступать в роли единиц информации, обещая более быстрые и энергоэффективные запоминающие и логические устройства. Однако в большинстве материалов эти вихри при толчке электрическим током смещаются вбок, рискуя врезаться в края устройств и исчезнуть. В статье исследуется новый двумерный материал, в котором обитает особый тип скирмиона, способный двигаться прямо и даже управляться электрическим полем и лёгким растяжением, что указывает на перспективы создания энергоэффективной, программируемой электроники, основанной на вращающихся атомах, а не только на переносе зарядов.

Плоский материал с врождённой двойной природой

Исследователи сосредотачиваются на одном атомном слое соединения TcIrGe2Se6. Этот ультратонкий лист — «мультиферроик», то есть он сочетает в себе магнетизм и электрическую поляризацию, которую можно перевернуть вверх или вниз. В кристалле разные атомы образуют гексагональную решётку, при этом пара атомов германия слегка выступает из плоскости. Это небольшое вертикальное смещение нарушает симметрию решётки и создаёт электрический диполь, который можно переключать приложенным напряжением. Одновременно атомы технеция несут магнитные моменты, чьи расположения могут образовывать сложные узоры. С помощью продвинутых квантово‑механических расчётов авторы подтверждают, что монослой структурно стабилен, ферромагнитен примерно до 330 К (около комнатной температуры) и обладает умеренным энергетическим барьером для переключения электрической поляризации — все эти свойства благоприятны для устройств.

Как смешанные скрутки образуют гибридные вихри

В большинстве материалов, где возникают скирмионы, тонкое взаимодействие между соседними спинами, называемое взаимодействием Дзявлошинского—Мориа (Dzyaloshinskii–Moriya), закручивает спины либо чисто радиально, либо чисто касательно, давая два классических типа скирмионов. TcIrGe2Se6 отличается тем, что симметрия кристалла допускает сосуществование обоих направлений скрутки в одной плоскости. Авторы показывают, что внутренняя в‑плоскости скрутка может быть разложена на компоненты, параллельные и перпендикулярные связям между магнитными атомами, и обе эти компоненты имеют значительную величину. Такая смешанная скрутка стабилизирует «гибридные» скирмионы, чьи спины вращаются в плоскостях, наклонённых между двумя стандартными случаями, давая дополнительную внутреннюю степень свободы, известную как хеликальность. Важный момент: при перевороте электрической поляризации материала меняется направление этой скрутки, так что направление завихрения, или хиральность, скирмионов может быть переключено исключительно электрическим полем.

Стабильность скирмионов и движение по прямой

Чтобы быть полезными в технике, эти магнитные вихри должны выдерживать тепло и магнитные поля и двигаться предсказуемо под действием электрического тока. С помощью масштабных спиновых симуляций команда отображает, как конфигурации скирмионов меняются с температурой и внешним магнитным полем. Они обнаруживают, что гибридные скирмионы в TcIrGe2Se6 устойчивы в широких пределах, включая температуры от близких к абсолютному нулю до примерно 280 К и магнитные поля до примерно 17 тесла. Скирмионы могут быть очень малыми, порядка десятков нанометров в поперечнике, что подходит для высокой плотности хранения данных. Анализ их движения показывает, что особые углы смешанной скрутки приводят к тому, что боковой сдвиг, известный как эффект Холла скирмионов, практически исчезает. На практике при подаче тока гибридные скирмионы почти точно движутся по направлению тока, избегая разрушительных столкновений с границами устройства.

Электрические и механические регуляторы

Этот двумерный мультиферроик предлагает несколько независимых рычагов для настройки скирмионов. Переворот электрической поляризации меняет хиральность скирмиона и тонко меняет их траекторию, позволяя электрически выполнять маршрутизацию «на лету» и бинарное кодирование. Кроме того, авторы исследуют, как равномерное растяжение или сжатие листа изменяет магнитные взаимодействия. В пределах определённого окна деформаций смешанная скрутка остаётся сильной, а угол Холла скирмионов близок к нулю, но внутренняя хеликальность смещается. При более сильной компрессии система претерпевает топологическое преобразование: скирмионы превращаются в удлинённые структуры, называемые бимеронами, по сути парой вихрей, живущих в плоскости. Эти результаты показывают, что деформация может служить механической ручкой для переконфигурации типа и поведения топологических текстур без изменения состава материала.

Почему эти крошечные вихри важны

Проще говоря, в работе выявлен однослойный кристалл, в котором маленькие магнитные вихри не только устойчивы и позволяют плотное размещение, но и могут быть сдвинуты по прямой дорожке и управляться как электрическими полями, так и лёгкой деформацией. Объединяя магнитный порядок, переключаемую электрическую поляризацию и гибкую механику в одном материале, TcIrGe2Se6 предстает перспективной платформой для будущей спиновой электроники. Устройства на основе таких управляемых гибридных скирмионов могли бы хранить и обрабатывать информацию с гораздо меньшим энергопотреблением, чем современные технологии, основанные на зарядах, и одновременно использовать богатую внутреннюю структуру этих наноразмерных вихрей для новых типов логики и памяти.

Цитирование: Li, X., Zhou, M., Wei, Y. et al. Hybrid magnetic skyrmions with near-zero Hall angle and electrical switchability in a 2D multiferroic. npj Comput Mater 12, 148 (2026). https://doi.org/10.1038/s41524-026-02030-z

Ключевые слова: магнитные скирмионы, двумерные материалы, мультиферроики, спинтроника, топологическая магнетизм