Взаимодействия скейрмионов атомного масштаба в двумерных хиральных магнитах

Магнитные водовороты на самых малых масштабах

По мере того как наши устройства уменьшаются, а вычислительные потребности растут, инженеры ищут новые способы хранить и перемещать информацию с гораздо меньшей энергозатратой. Одним из перспективных кандидатов является магнитный скейрмион — крошечный узор в виде водоворота в магните, который может вести себя как устойчивый, перемещаемый бит. В этой работе исследуют, как взаимодействуют скейрмионы, размеры которых приближаются к масштабу атомов в кристалле, и можно ли надёжно управлять ими и связывать их внутри будущих сверхплотных запоминающих устройств и вычислительных систем, вдохновлённых работой мозга.

Что такое эти крошечные вихри и почему они важны

Скейрмионы — это закрученные конфигурации атомных магнитов, которые ведут себя как частицы: их можно создавать, перемещать и уничтожать. Благодаря «топологической» защите их скрученной структуры они устойчивы к разрушению, что делает их привлекательными в качестве носителей данных вдоль магнитных дорожек или как настраиваемых весов в искусственных синапсах. До сих пор большинство исследований было сосредоточено на скейрмионах диаметром в сотни нанометров. Но недавние эксперименты обнаружили скейрмионы всего в несколько нанометров — всего из нескольких атомов, — что ставит актуальный вопрос: сохраняются ли те же правила притяжения и отталкивания между скейрмионами, когда они сжимаются до почти атомных размеров?

Сближение скейрмионов и их разъединение

Чтобы ответить на это, авторы использовали подробные компьютерные моделирования двумерного магнитного слоя, где скейрмионы находятся в окружении однородно выровненных спинов. Меняя несколько ключевых параметров — величину и наклон магнитного поля и встроенное направленное предпочтение кристалла — они могли делать скейрмионы почти круглыми или заметно искаженными. Для больших скейрмионов предыдущие работы показали привычную картину: когда два скейрмиона очень близки, они сильно отталкиваются, как жёсткие сферы при столкновении, но на определённых расстояниях они могут притягиваться и образовывать связанные пары. Новые симуляции показывают, что та же смесь короткодействующего отталкивания и более дальнодействующего притяжения сохраняется вплоть до скейрмионов атомного масштаба.

Как форма и скрытые домены создают притяжение

Исследование выделяет два основных механизма возникновения притяжения. В первом случае наклон магнитного поля или умеренное кристаллическое анизотропное предпочтение искажают каждый скейрмион от идеальной окружности. Это искажение слегка понижает энергию системы, когда скейрмионы находятся на определённом расстоянии, создавая мелкую «зону комфорта», в которой они предпочитают оставаться вместе. По мере уменьшения размера скейрмионов они становятся более жёсткими, поэтому репульсивное ядро расширяется, если измерять расстояния в единицах их собственного радиуса, а область притяжения сдвигается наружу. Во втором, более драматичном случае сильное кристаллическое предпочтение заставляет область между двумя скейрмионами переворачиваться в узкую полосу противоположной намагниченности — крошечный магнитный домен, ограниченный стенкой. Формирование этой стенки домена требует энергии, но совместное её существование для двух скейрмионов окупается, создавая глубокую привлекательную яму, глубина и оптимальное расстояние которой почти не меняются даже при переходе к атомно малым размерам скейрмионов.

Когда кристаллическая решётка начинает доминировать

На таких малых масштабах сама атомная сетка материала начинает играть роль. Симуляции показывают, что энергия одиночного скейрмиона тонко зависит от того, располагается ли его центр точно на узле решётки или между узлами, создавая периодический «решёточный потенциал». При сильной кристаллической анизотропии этот потенциал быстро растёт по мере уменьшения скейрмионов, пока не соперничает и не превышает притягивающую силу между ними. В этом режиме, хотя взаимодействие между скейрмионами сильно способствует образованию плотной пары, решётка фиксирует каждый скейрмион в предпочтительных позициях, препятствуя их скольжению до оптимального расстояния. В результате скейрмионы могут оказаться зафиксированными на расстояниях больше минимума кривой притяжения или, в крайних случаях, становиться нестабильными после снятия этого закрепляющего ограничения.

Что это значит для будущих магнитных устройств

В целом эти результаты показывают, что скейрмионы атомного масштаба всё ещё могут образовывать плотные связанные пары с энергией связи, сопоставимой с фундаментальными магнитными взаимодействиями, потенциально стабильные даже при комнатной температуре. Те же физические механизмы, которые создают притяжение у более крупных скейрмионов, остаются эффективными и на самых малых масштабах и могут непрерывно настраиваться внешними магнитными полями и кристаллической анизотропией. Одновременно растущее влияние решёточного потенциала при малых размерах будет стремиться иммобилизовать скейрмионы и фиксировать их относительные положения. Для разработчиков устройств следующего поколения в области памяти и неморфного аппаратного обеспечения этот баланс представляет собой одновременно вызов и возможность: ямы притяжения можно использовать для управления тем, как скейрмионы-носители информации группируются, а закрепление решёткой может помочь зафиксировать эти конфигурации против нежелательного движения.

Цитирование: Kameda, M., Kobayashi, K. & Kawaguchi, Y. Interactions between atomic-scale skyrmions in 2D chiral magnets. Sci Rep 16, 12941 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41762-2

Ключевые слова: магнитные скейрмионы, спинтроника, наномагнитная память, топологическая магнетизм, неморфное (neuromorphic) оборудование