Генерация скирмионов через взаимодействие хиральности света и магнетизма

Закручивание света для записи крошечных магнитных водоворотов

Представьте, что фильмы, фотографии и целые архивы можно хранить на чипах настолько маленьких, что каждый бит данных — это вихревое магнитное образование размером всего в миллиарные доли метра. В этой статье исследуется, как специально сформированные пучки света могут «рисовать» и управлять этими крошечными водоворотами — называемыми скирмионами и скирмиониями — внутри магнитных материалов. Научившись быстро и точно управлять этими структурами с помощью света, исследователи приближают создание сверхбыстрой, энергоэффективной памяти и технологий кодирования информации.

Что делает этот свет особенным?

Свет — это не только яркость и цвет. Он ещё и может вращаться. Один вид «вращения», называемый поляризацией, описывает, как электрическое и магнитное поля скручиваются по мере распространения света; круговая поляризация означает, что эти поля вращаются подобно лопастям вентилятора. Другой вид, известный как орбитальный угловой момент, заставляет фронт волны закручиваться по спирали, формируя «вихревой» пучок с тёмным центром и ярким кольцом. Когда оба типа вращения присутствуют в кругово-поляризованном пучке Лагерра—Гаусса (CPLG), магнитное поле света само по себе образует сложные вихревые узоры в пространстве. Авторы показывают, что, выбирая, как свет закручивается — его «ручность» и топологический заряд — можно создавать магнитные поля с различной хиральной (лево- или правовращающей) структурой над магнитной плёнкой.

Магнитные водовороты как носители данных

Внутри некоторых магнитных материалов атомные магнитные моменты — или спины — могут закручиваться в устойчивые, похожие на частицы текстуры, называемые скирмионами. Один скирмион напоминает крошечный вихрь: далеко от центра спины направлены вверх, затем скручиваются в плоскости и в середине направлены вниз. Скирмионий ближе по виду к магнитному пончику: внутренний скирмион и внешнее кольцо частично компенсируют скрутки друг друга. Эти объекты привлекательны для технологий, поскольку они могут быть малы, устойчивы и подвижны, а их наличие или отсутствие можно использовать для кодирования информации. До сих пор скирмионы обычно создавали с помощью электрических токов, нагрева или статических магнитных полей — методов, которые часто медленнее или сложнее в точном управлении на наноуровне.

Моделирование того, как закрученный свет оставляет следы в магнетизме

Исследователи построили численную модель тонкой магнитной плёнки, в которой спины изначально все ориентированы в одном направлении. Затем они подвергают эту виртуальную плёнку короткому импульсу CPLG-света, магнитное поле которого взаимодействует со спинами через эффект Зеемана — тот же базовый принцип, что выравнивает стрелку компаса в магнитном поле Земли. С помощью стандартных уравнений динамики спинов они отслеживают, как каждый микроскопический магнит наклоняется и прецессирует во времени. Различные параметры света — например, несёт ли пучок орбитальный угловой момент и какова его интенсивность — приводят к разным магнитным результатам: к образованию одиночного скирмиона, скирмиония в форме пончика или нескольких скирмионов, расположенных по кольцу.

Настройка числа и формы водоворотов

Ключевой результат заключается в том, что «ручность» света и материала действуют совместно. Даже кругово-поляризованный пучок без орбитального углового момента, у которого магнитное поле однородно в пространстве, может создать одиночный скирмион, если внутренние хиральные силы материала достаточно сильны — вопреки прежним утверждениям. Когда свет несёт определённое орбитальное закручивание (например, топологический заряд −1), его полое, кольцевое магнитное поле тесно соответствует скирмионию и естественно «впечатывает» этот узор в плёнку. Для других зарядов магнитное поле пучка распадается на несколько хиральных областей. В зависимости от интенсивности света эти области могут посеять минимальное или максимальное число скирмионов, которые иногда могут сливаться или растягиваться в полосы, если оказываются слишком близко друг к другу. Таким образом авторы показывают, что число и расположение скирмионов можно настраивать просто изменением углового момента и силы света.

Почему это важно для будущей памяти

Для неспециалиста суть в том, что теперь можно использовать аккуратно сформированные вспышки света как своего рода ультрабыстрый карандаш для рисования и редактирования крошечных магнитных узоров, которые могли бы служить битами данных. Поняв, как различные «вращения» света комбинируются, формируя хиральные магнитные поля, и как эти поля сдвигают спины в материале в скирмионы или скирмионии, авторы намечают рецепт для создания по требованию магнитного кодирования на основе света. Такой подход может позволить новым устройствам памяти записывать и перезаписывать информацию на терагерцовых скоростях с минимальным энергопотреблением, просто изменяя «закручивание» светового пучка.

Цитирование: Zhang, Q., Lin, S. & Zhang, W. Skyrmion generation through the chirality interplay of light and magnetism. Commun Phys 9, 55 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02488-9

Ключевые слова: скирмионы, структурированный свет, магнитная память, орбитальный угловой момент, топологический магнетизм