Супер-моире спиновые текстуры в скрученных двумерных антиферромагнетиках

Магнетизм в атомно-тонких строительных блоках

Мы обычно представляем магниты как массивные куски металла, прикреплённые к дверце холодильника. В этой работе учёные сокращают масштаб магнетизма до стопок атомно-тонких кристаллов и показывают, что при мягком скручивании слоёв можно получить совершенно новые магнитные узоры, которые гораздо крупнее и сложнее подлежащей атомной решётки. Эти гигантские структуры могут стать носителями информации в будущих энергоэффективных и ультракомпактных магнитных технологиях.

Скручивание листов для создания новых узоров

Когда две периодически структурированные поверхности накладываются друг на друга с небольшим углом, образуется большой, медленно меняющийся узор, известный как моирé — подобно тому, что наблюдается при наложении двух оконных сеток. В ультратонких материалах этот эффект делает нечто большее, чем формирует визуальный рисунок: он изменяет взаимодействия между электронами и атомными магнитами. Команда изучала материал хромтрийодид (CrI₃), который ведёт себя как двумерный магнит при расщеплении на листы толщиной в несколько атомных слоёв. Они сложили два билея CrI₃, скрутили их на крошечный угол менее двух градусов и полностью инкапсулировали для сохранения стабильности при низких температурах.

Наблюдение крошечных магнитов с помощью квантового сенсора

Чтобы увидеть магнитный ландшафт внутри этих скрученных стопок, исследователи использовали квантовый сенсор, созданный на основе одиночного атомного дефекта в алмазе, известного как центр азот‑вакансия. Этот дефект ведёт себя как чрезвычайно чувствительный компас, который можно сканировать на расстоянии всего нескольких десятков нанометров над поверхностью образца, картируя слабые магнитные поля, создаваемые спинами в слоях CrI₃. Преобразуя измеренные рассеянные поля в карты локальной намагниченности, команда могла различать области, ведущие себя как обычные ферромагнетики со выровненными спинами, и области, где спины компенсируют друг друга, проявляя антиферромагнитное поведение.

Магнитные текстуры, превосходящие решётку

Традиционная теория предсказывала, что любой магнитный узор должен тесно следовать за моирé-решёткой, то есть его размер должен уменьшаться при увеличении угла скручивания и сжатии ячеек моирé. Вместо этого эксперименты и крупномасштабные компьютерные моделирования показали обратную тенденцию. При углах скручивания около 1,1 градуса в системе образовались магнитные текстуры шириной в сотни нанометров — до десяти раз больше шага моирé — формируя то, что авторы называют супер-моире магнитными состояниями. В широких ферромагнитных областях сенсоры обнаружили тонкие долгодиапазонные вариации, а в номинально антиферромагнитных областях наблюдались полосы и точечные структуры, организованные в шестиугольные массивы, простиравшиеся через многие ячейки моирé.

Конкурирующие силы и кружащие спиновые острова

Эти чрезмерно крупные структуры возникают потому, что несколько магнитных сил вступают в конкуренцию. Обменные взаимодействия стремятся выровнять соседние спины, магнитная анизотропия предпочитает ориентировать спины в определённых направлениях, а хиральная сила, известная как взаимодействие Дзялошинского—Мориа (Dzyaloshinskii–Moriya), поощряет закручивание спинов. По мере изменения угла скручивания баланс между этими силами меняется внутри каждой ячейки моирé. Вместо того чтобы позволить каждой небольшой ячейке вести себя независимо, система минимизирует свою общую энергию, формируя протяжённые, плавно меняющиеся текстуры, распространяющиеся через многие ячейки. Компьютерные модели, включающие эти конкурирующие члены, воспроизводят большие домены и закрученные спиновые структуры, согласующиеся с измерениями.

Скрытые вихри магнетизма

Охладив устройства в магнитном поле и увеличив масштаб маленьких точечных объектов, исследователи обнаружили свидетельства магнитных вихрей, известных как скейримоны нейельского типа. В этих объектах спины в центре направлены в одну сторону, спины далёких участков — в противоположную, а промежуточные спины плавно поворачиваются радиально, образуя топологически защищённый узел. Скейримоны в скрученных устройствах CrI₃ являются антиферромагнитными — соседние слои или области содержат противоположные спиновые паттерны — поэтому они создают лишь слабые суммарные поля, однако квантовый сенсор всё же сумел разрешить их приблизительный размер около 60 нанометров. Структуры скейримонов оставались устойчивыми в широком диапазоне температур и магнитных полей, что указывает на то, что дизайн со скрученными слоями обеспечивает стабильную платформу для этих экзотических текстур.

Почему это важно для будущих устройств

Проще говоря, исследование показывает, что мягкое скручивание атомно-тонких магнитов может порождать большие, стабильные острова закрученного магнетизма, значительно превосходящие по размерам узор, который их задаёт. Эти супер-моире спиновые текстуры и антиферромагнитные скейримоны могут служить информационными битами в будущей спиновой электронике, сочетая стабильность, низкие вредные поля и компактный размер. Результаты также указывают, что многие другие слоистые магнитные материалы могут демонстрировать похожее поведение при скручивании, открывая широкое поле для проектирования новых магнитных фаз и устройств посредством контроля вращения, а не изменения химического состава.

Цитирование: Wong, K.C., Peng, R., Anderson, E. et al. Super-moiré spin textures in twisted two-dimensional antiferromagnets. Nat. Nanotechnol. 21, 359–365 (2026). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02103-y

Ключевые слова: 2D магнетизм, моирé материалы, скейримоны, скрученные слои ван-дер-Ваальса, спинтроника