Что происходит в процессе плавления двумерных систем на микроскопическом уровне? Исследователи из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU) изучили это явление в тонких магнитных слоях.
«Используя скирмионы, то есть миниатюрные магнитные вихри, мы впервые смогли непосредственно наблюдать переход двумерной упорядоченной структуры решётки в неупорядоченное состояние на микроскопическом уровне в реальном времени», — объяснил Рафаэль Грубер, проводивший исследование в рабочей группе профессора Матиаса Клауи в Институте физики JGU.
Результаты, опубликованные в Nature Nanotechnology, имеют фундаментальное значение для более глубокого понимания процессов плавления в двух измерениях и поведения скирмионов, что может привести к революции в будущих технологиях хранения данных.
Хотя концепция превращения льда в воду знакома большинству людей с макроскопической точки зрения, микроскопические аспекты процессов плавления остаются удивительно малоизученными.
«Этот фазовый переход особенно интересен в двумерных системах, где возникают отличные от трёхмерных систем явления», — уточнил Грубер.
Изначально исследователи генерировали скирмионы — структуры магнитных вихрей, аналогичные микроскопическим ураганам, путём точной калибровки температуры и магнитных полей. Благодаря их замечательной стабильности скирмионы можно рассматривать как отдельные сущности. При плотной упаковке эти магнитные вихри самоорганизуются в регулярную структуру решётки.
«Наш основной вопрос заключался в том, что происходит, когда мы возвращаем упорядоченное состояние в неупорядоченное — по сути, когда мы плавим систему?» — сказал Грубер.
Используя магнитооптический Kerr-микроскоп, исследователи впервые наблюдали этот процесс в реальном времени. В отличие от трёхмерных решёточных структур, таких как лёд, двумерная решётка скирмионов плавится в два этапа. На первом этапе теряется трансляционный порядок, при этом отдельные скирмионы остаются в решётке, но демонстрируют нерегулярные расстояния до своих ближайших соседей. Только на следующем этапе нарушается и ориентация, что приводит к полному растворению решётки — процессу плавления.
«Выяснение этого перехода плавления было значительно облегчено нашим сотрудничеством с коллегами из Центра квантовой спинтронics в Норвежском университете науки и технологий», — отметил профессор Матиас Клауи.
Отличительной чертой этого эксперимента является метод, используемый для индуцирования плавления. Обычно для этого повышают температуру. Однако в данном контексте этот подход неоптимален, поскольку он изменит условия, приводящие к возникновению магнитных вихрей.
«Вместо этого мы уменьшили размер скирмионов, модулируя магнитное поле. Этот подход предоставил скирмионам большую подвижность внутри решётки, что позволило им двигаться», — объяснил Грубер. «Эта стратегия, аналогичная повышению температуры, приводит к тому, что структура решётки становится всё более неупорядоченной, что в конечном итоге приводит к её полному растворению».
Эти результаты открывают путь для потенциального применения скирмионов в будущих технологиях хранения данных, предлагая значительно повышенную плотность данных, быстрый доступ для чтения/записи и исключительную энергоэффективность.
Предоставлено Университетом Майнца.