Магнитные скирмионы – это крошечные завихрения в намагничивании тонких магнитных пленок, где направление намагниченности указывает в разных направлениях. Оказывается, конкретный образец намагничивания можно охарактеризовать в соответствии с его так называемой топологией – математическим понятием для описания формы или геометрии тела, набора или, как в данном случае, физического поля (см. Информационное окно по топологии). Важно отметить, что топология скирмионов отличается от простого однородного состояния, когда намагниченность повсюду указывает в одном направлении.
Для переключения между двумя шаблонами вращения необходимо также изменить топологию системы. Это существенно способствует стабильности скирмионов, но также делает их быстрое создание очень трудным.
В своей работе, в которой используется изображение скирмионов нанометрового размера с помощью рентгеновских лучей и электронов, исследователи впервые смогли показать, что один лазерный импульс достаточной интенсивности позволяет создавать скирмионы с определенной топологией, то есть с рисунком намагничивания. завихрения только определенным образом.
Затем они решили понять, как такое изменение топологии опосредовано лазерным импульсом, исследуя, как этот переход от однородного узора к скирмионам происходит во времени. С этой целью они провели эксперименты по рассеянию рентгеновских лучей на рентгеновском лазере на свободных электронах European XFEL в Гамбурге, Германия, где было обнаружено отклонение рентгеновского луча скирмионами. Ударяя по ферромагнитной тонкой пленке в однородном состоянии сначала оптическим лазерным импульсом, а затем рентгеновским лазерным импульсом, они могли определить, как размер и расстояние между скирмионами меняются с течением времени.
Первым неожиданным результатом было то, что топологическое изменение завершилось через 300 пикосекунд, что значительно быстрее, чем наблюдалось для скирмионов в любой другой ферромагнитной системе до этого. Сравнивая экспериментальные данные с теоретическим моделированием, команда могла сделать вывод, как происходит топологический переход. Лазерный импульс переводит систему в высокотемпературное состояние, когда намагниченность распадается на небольшие независимо флуктуирующие области, быстро меняя направление намагниченности. В этом состоянии топологической флуктуации энергетический барьер для зарождения скирмионов очень сильно снижен, и они появляются и исчезают непрерывно.
Когда система остывает после лазерного возбуждения, некоторые из небольших ядер скирмионов замерзают и впоследствии растут, образуя более крупные скирмионы, которые наблюдались в начальных экспериментах по визуализации.
Учитывая, что скирмионы могут иметь размер в диапазоне десяти нанометров и при этом быть очень стабильными при комнатной температуре, эти результаты могут иметь интересные последствия для будущих концепций обработки и хранения магнитных данных. Уже сегодня формирование «обычных» битов на магнитном жестком диске ограничено возможностью переключать очень маленькие, но стабильные биты с помощью магнитного поля.
Локальный нагрев лазером объявлен следующим технологическим шагом в обеспечении более высокой плотности хранения, и топологическое переключение скирмионов с помощью лазерных импульсов может добавить к этому новый поворот.