Теорию о магнитной памяти в двумерных материалах доказали экспериментом — ждём прорывов в ёмкости HDD?

Физики из Университета Техаса в Остине впервые экспериментально наблюдали полную последовательность экзотических магнитных фаз в атомарно тонком (однослойном) магнитном материале. Эксперимент позволил создать устойчивые островки намагниченности размером в несколько нанометров, обещая в будущем привести к появлению намного более ёмких накопителей, чем, например, жёсткие диски.

Теория предполагает, что в процессе охлаждения атомарно тонкий двумерный материал последовательно проходит две фазы. Каждая из фаз по отдельности уже наблюдалась учёными, но полный цикл ещё никто не воспроизводил.

Так, при охлаждении материала до температур от –150 до –130 °C возникает фаза Березинского–Костерлица–Таулеса (BKT), в которой магнитные моменты атомов формируют устойчивые вихревые структуры — пары связанных вихрей, закрученных в противоположных направлениях и ограниченных объёмом двумерного материала. Диаметр каждого вихря не превышает нескольких нанометров.

При дальнейшем охлаждении материал переходил во вторую чётко выраженную магнитную фазу, называемую упорядоченной фазой «часов» с шестью состояниями (six-state clock phase), в которой магнитные моменты принимают подчинённую симметрии одну из шести возможных ориентаций на плоскости. В каком-то смысле это похоже на цифры на циферблате часов, откуда данная фаза взяла название. Эти состояния стабильные и долгоживущие, что создаёт основу для использования технологии для записи информации.

Эффект достигнут в кристалле трисульфида никель-фосфора (NiPS₃). Он подтверждён как теоретически, так и наблюдением с использованием нелинейной оптической микрополяриметрии.

Открытие подтверждает фундаментальные модели двумерного магнетизма и топологической физики, включая вклад советского физика Вадима Березинского, чьи идеи легли в основу BKT-перехода (за развитие этой теории Нобелевская премия 2016 года присуждена Костерлицу и Таулесу).

Значимость работы заключается в демонстрации исключительно устойчивых наноразмерных магнитных вихрей в чисто двумерной системе, что открывает новые пути управления магнетизмом на атомном уровне. В перспективе учёные планируют найти материалы, где подобные фазы стабилизируются при более высоких температурах (ближе к комнатной), что может привести к созданию сверхкомпактных магнитных наноустройств, прорывам в спинтронике и создание других технологий.