Международный коллектив физиков впервые наблюдал объёмные спиновые вихри в обычных материалах, что поможет вывести электронику на новый уровень. Речь идёт о таких структурах, как солитоны Хопфа или хопфионы (hopfions). Это устойчивая вихреподобная структура поля, которая может считаться квазичастицей, с которой можно работать — создавать на её основе память, кубиты и элементы логики нейроморфных процессоров.
Компьютерное представление хопфиона с указанием направлений спинов в кольце. Источник изображений: Филипп Рыбаков
Хопфитоны можно считать трёхмерным аналогом скирмионов. Скирмионы, как топологические структуры в плоском 2D-исполнении, открыты достаточно давно. Хопфионы оставались известными науке лишь в виде решений сложных уравнений, тогда как на практике они в простейшем случае напоминали бы бублик поля в объёме материала. Впрочем, в специально синтезированных материалах хопфионы можно было наблюдать, но в более привычных ещё нет.
Совместный коллектив учёных из Швеции, США и Китая смог добиться устойчивого образования хопфионов в толще пластинки из железа и германия. «Наши результаты важны как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения, поскольку появился новый мост между экспериментальной физикой и абстрактной математической теорией, что может привести к тому, что хопфионы найдут применение в спинтронике», — заявил ведущий автор исследования Филипп Рыбаков, научный сотрудник факультета физики и астрономии Уппсальского университета (Швеция).
Более глубокое понимание того, как функционируют различные компоненты материалов, важно для разработки инновационных материалов и технологий будущего. Например, область спинтроники, изучающая спин электронов, открыла многообещающие возможности объединения электрических и магнитных свойств электронов для таких приложений, как новая электроника, включая логику и память. Яркий пример из этого — разработка трековой памяти, предложенная компанией IBM около десяти лет назад.
Наблюдение хопфиона через просвечивающий электронный микроскоп в 180-нм образце. Источник изображения: Fengshan Zheng/Forschungszentrum Jülich
«Поскольку объект новый и многие его интересные свойства еще не открыты, трудно делать прогнозы относительно его конкретных приложений в спинтронике. Однако можно предположить, что наибольший интерес хопфионы могут представлять при переходе в третье измерение практически всех технологий, разрабатываемых на основе магнитных скирмионов: трековой памяти, нейроморфных вычислений, кубитов (основной единицы квантовой информации). По сравнению со скирмионами хопфионы обладают дополнительной степенью свободы за счет трёхмерности и, следовательно, могут двигаться не в двух, а в трёх измерениях», — пояснил Рыбаков.