Влияние межслоевого взаимодействия Дзиялошиньского–Мори на форму и динамику магнитных двойных скирмионов

Маленькие магнитные завихрения как будущие носители информации

По мере роста потребности в хранении данных инженеры ищут новые способы сохранять и передавать информацию, которые были бы быстрее, компактнее и энергоэффективнее современных электронных устройств. Одно из перспективных направлений использует крошечные вихревые структуры в магнитах, называемые скирмионами, в качестве битов информации. В этой работе изучается, как особый тип магнитной связи между двумя ультратонкими слоями может изменить форму этих вихрей и управлять их движением, давая разработчикам чипов более тонкий контроль над будущими устройствами на основе скирмионов.

Закручивание спинов в уложенных магнитных пленках

Авторы рассматривают «сэндвич» из двух магнитных слоев, разделённых тонким немагнитным промежуточным слоем. В каждой магнитной плёнке атомные магниты (спины) могут сформировать скирмион: наноразмерный вихрь, в котором спины в центре указывают вверх, на удалении — вниз, а между ними плавно поворачиваются в плоскости. Когда такие слои уложены друг над другом и связаны особым образом, в обоих слоях возникают скирмионы с противоположной ориентацией спинов, образуя трёхмерную пару, которую авторы называют «двойной скирмион». Работа сосредоточена на том, как взаимодействие, известное как межслоевое взаимодействие Дзиялошиньского–Мори (IL-DMI), меняет форму и внутренний скручивание этой парной структуры.

Как скрытая связь растягивает и закручивает вихри

С помощью детальных компьютерных симуляций, основанных на стандартной модели магнетизма, команда варьирует силу и направление IL-DMI и наблюдает, как реагирует двойной скирмион. Когда это взаимодействие лежит в плоскости слоёв, оно толкает спины в двух плёнках к наклону в противоположные стороны. Чтобы понизить энергию, двойной скирмион растягивается в овал, удлиняясь примерно вдоль или поперёк направления связи в зависимости от того, как спины вращаются внутри вихря. Если это внутренне-плоскостное взаимодействие становится достаточно сильным, овал становится неустойчивым и стремится раскрыться в полосовые структуры, что показывает: межслоевая связь способна фундаментально перестраивать магнитные текстуры.

Изменение внутреннего скручивания без нарушения формы

Когда IL-DMI направлено вне плоскости, общий контур скирмиона остаётся круглым, но его внутреннее скручивание меняется по-разному в двух слоях. В одной плёнке вихрь слегка вращается по часовой стрелке; в другой — слегка против часовой. По мере роста внеплоскостного взаимодействия эта разница в скручивании увеличивается примерно пропорционально, и радиус двойного скирмиона также растёт. Авторы подтверждают эти тенденции как атомно-посредством симуляций, так и с помощью упрощённых сплошных уравнений, показывая, что эффект устойчив и может быть отрегулирован выбором материалов или внешними управляющими воздействиями, например электрическим полем.

Направление движения скирмионов с помощью тока

Кроме статических форм, исследование рассматривает движение двойных скирмионов под действием электрического тока, протекающего под стопкой и создающего спин‑ток, который выталкивает вихри через материал. В этой конфигурации «ток перпендикулярно плоскости» IL-DMI сильно влияет как на скорость, так и на направление движения. При в‑плоскостном взаимодействии растянутый двойной скирмион обычно движется быстрее вдоль своей длинной оси; когда предпочитаемое током направление движения не совпадает с этой осью, скорость падает, а траектория изгибается обратно к пути несвязанной системы. Тщательно выбирая направление связи, можно либо увеличить скорость, либо настроить боковой угол отклонения — так называемый угол Холла скирмиона — в значительной степени независимо.

Почему эти двойные вихри важны

Для неспециалистов главный вывод таков: тонкое межслоевое взаимодействие действует как руль и регулятор формы для скирмионов в уложенных магнитных плёнках. Оно может растягивать эти магнитные вихри, по‑разному закручивать их внутреннюю структуру в каждом слое и настраивать, как быстро и в каком направлении они движутся под действием тока. Поскольку само это взаимодействие может регулироваться, например электрическими методами, двойные скирмионы предлагают гибкую платформу для будущих технологий памяти и логики, использующих трёхмерные магнитные структуры для кодирования и обработки информации с малым энергопотреблением.

Цитирование: Matthies, T., Rózsa, L., Wiesendanger, R. et al. Effects of interlayer Dzyaloshinskii-Moriya interaction on the shape and dynamics of magnetic twin-skyrmions. npj Spintronics 4, 8 (2026). https://doi.org/10.1038/s44306-026-00129-z

Ключевые слова: магнитные скирмионы, спинтроника, магнитные многослойные структуры, топологическая магнетизм, динамика скирмионов