Влияние обмена высшего порядка на время жизни скирмионов и антискирмионов

Крошечные магнитные завихрения как будущие элементы данных

Представьте себе хранение информации не в электрических зарядах, а в крошечных магнитных водоворотах размером всего в несколько миллиардных долей метра. Эти объекты, называемые скирмионами и антискирмионами, могут сделать память компьютеров более компактной и энергоэффективной. Но для этого завихрения должны выдерживать нагрев и случайные возмущения внутри устройства достаточно долго, чтобы быть полезными. В этой статье исследуется тонкий магнитный эффект, который способен значительно продлить их время жизни и даже обеспечить стабильность в материалах, которые ранее считались неподходящими для таких экзотических состояний.

Магнитные водовороты в ультратонких металлах

Скирмионы и антискирмионы — это наноскалярные спиновые структуры, в которых крошечные магнитные моменты атомов закручиваются, образуя вихревые текстуры. Они привлекают внимание потому, что ими можно управлять малыми электрическими токами, и они могут служить отдельными битами информации. Традиционно считалось, что для стабилизации таких текстур необходим особый вклиненный обмен, связанный с тяжелыми элементами и нарушенной зеркальной симметрией — взаимодействие Дзайалошинского—Мория. В последнее время в фокусе внимания появился другой компонент: обмены высшего порядка, при которых взаимодействуют не только пары, но и группы из трех или четырех спинов. Такие много-спиновые связи естественным образом возникают в реальных материалах и могут благоприятствовать образованию сложных магнитных паттернов.

Как дополнительные спиновые связи формируют стабильность

Авторы создают подробную компьютерную модель спинов на атомных решетках для двух хорошо изученных систем ультратонких пленок: палладий/железо на иридии и на родии. Их модель включает обычные парные связи, взаимодействие Дзайалошинского—Мория и все релевантные члены обмена четвертого порядка, связывающие одновременно четыре спина. С помощью метода, называемого гармонической теорией переходных состояний, они прослеживают наиболее вероятные пути, по которым изолированный скирмион или антискирмион исчезает, переходя в равнозаряженное намагниченное состояние. Вдоль каждого такого пути они вычисляют как высоту энергетического барьера, который нужно преодолеть, так и кривизну энергетической поверхности около начального состояния и в критической «седловой» точке, где происходит коллапс.

Энергетические барьеры, энтропия и время жизни

Время жизни магнитного завихрения подчиняется закону типа Аррениуса: чем выше барьер, тем реже тепловые флуктуации способны перебросить систему через него. Но есть еще один, часто упускаемый фактор: энтропия. Она зависит от того, насколько жесткий или мягкий энергетический ландшафт вокруг начального состояния и седловой точки. Когда исследователи включают члены обмена высшего порядка, они обнаруживают двойной эффект. Во-первых, специфический четырехспиновый член повышает барьер коллапса для скирмионов и антискирмионов примерно на 100 миллиэлектронвольт в пленке на основе иридия, что значительно увеличивает их устойчивость к тепловому распаду. Во-вторых, это взаимодействие меняет кривизну в седловой точке, делая некоторые коллективные деформации спинов более мягкими. Это увеличивает так называемый предэкспоненциальный множитель в формуле для времени жизни и частично компенсирует стабилизирующий эффект большего барьера. Учитывая оба вклада, чистый результат по-прежнему — драматическое увеличение времени жизни: скирмионы, которые без этих связей существовали бы около часа при температуре ниже 30 К, при их учете могут переживать 50 К и выше.

Тонкая настройка одного параметра

Поразительный результат — это то, насколько чувствительно время жизни реагирует на величину одного конкретного четырехспинового, четырех-узлового члена. Изменение этого параметра в пределах, ожидаемых для реальных пленок переходных металлов, почти линейно меняет энергетический барьер, но может поворачивать энтропийно связанный пред­множитель на несколько порядков величины. Для скирмионов увеличение этого взаимодействия всего на полмиллиэлектронвольта может удлинить предсказанное время жизни при 40 К с менее чем часа до почти трех недель. Антискирмионы демонстрируют аналогичную тенденцию, но в целом имеют более короткие времена жизни из‑за более низких барьеров. Исследование также показывает, что в моделях без взаимодействия Дзайалошинского—Мория те же члены высшего порядка сами по себе могут поддерживать метастабильные скирмионы и антискирмионы с экспериментально релевантными временами жизни, хотя их размеры и зависимость от поля отличаются от обычного случая.

Почему это важно для будущих устройств

Для тех, кто думает о практических применениях, главный вывод таков: судьба наноразмерных магнитных битов зависит не только от одного известного взаимодействия, но от сети много-спиновых связей и энтропийных эффектов. Путем тщательной инженерии интерфейсов и подбором сочетаний материалов для усиления конкретных четырехспиновых взаимодействий можно проектировать скирмионы и антискирмионы с требуемым временем жизни для памяти, логики или нейроморфных устройств — достаточно долгим, чтобы надежно хранить информацию, но не настолько длительным, чтобы их было невозможно записать или стереть. Возможно, самое интригующее в том, что эти результаты открывают путь к технологиям на основе скирмионов в широком классе слоистых магнитов, лишенных обычного стабилизирующего взаимодействия, что создает новые возможности в двумерных материалах и других системах, где сложные спиновые взаимодействия возникают естественно.

Цитирование: Schrautzer, H., Goerzen, M.A., Beyer, B. et al. Impact of higher-order exchange on the lifetime of skyrmions and antiskyrmions. npj Comput Mater 12, 123 (2026). https://doi.org/10.1038/s41524-026-02034-9

Ключевые слова: магнитные скирмионы, обмен высшего порядка, спинтроника, топологическая магнетизм, ультратонкие пленки