Введение. Скирмионы, названные в честь физика Тони Скирма, представляют собой вихреподобные локализованные возбуждения магнитного порядка, характеризующиеся целочисленным топологическим зарядом.
1. Теоретические основы стабилизации скирмионов в двумерных системах.
Устойчивость скирмионов в 2D-материалах является результатом тонкого баланса нескольких взаимодействий:
- Гейзенберговский обмен (J): Стремится установить однородное ферро- или антиферромагнитное упорядочение.
- Асимметричный обмен Дзялошинского-Мория (DMI): Ключевой фактор для возникновения скирмионов. В 2D-системах сильное DMI возникает на границах раздела с тяжелыми металлами (Pt, Ta, W) или в монослоях с нарушенной инверсионной симметрией собственной структурой. DMI благоприятствует вращению соседних спинов и стабилизирует киральные (право- или левовинтовые) текстуры, такие как скирмионы.
- Магнитная анизотропия: Перпендикулярная магнитная анизотропия (PMA) в тонких пленках или монослоях способствует стабилизации компактных небеловских скирмионов, в отличие от блоховских скирмионов, стабилизируемых в объемных материалах.
- Зеемановское взаимодействие: Внешнее магнитное поле может стабилизировать или подавлять скирмионную фазу.
Минимальная модель, описывающая такую систему, — это модель с добавленным DMI. Намагниченность в скирмионе изменяется плавно от направления «вверх» в центре до «вниз» на периферии (или наоборот), совершая полный оборот по полярному углу. Топологический заряд (число намотки) Q = (1/4π) ∫ m · (∂m/∂x × ∂m/∂y) dxdy является целым числом и служит мерой топологической защиты.
2. Материальные платформы и экспериментальная реализация.
- Ультратонкие пленки ферромагнетиков на тяжелых металлах: Классическая платформа, где интерфейсное DMI максимально. Системы типа Pt/CoFeB/MgO, Ir/Co/Pt демонстрируют скирмионы при комнатной температуре. Толщина ферромагнитного слоя в таких гетероструктурах может составлять всего 1-2 атомных слоя, что приближает систему к 2D-пределу.
Заключение. Исследование скирмионов в двумерных материалах представляет собой бурно развивающуюся область на стыке топологической физики конденсированного состояния, материаловедения и спинтроники. Переход от объемных систем к 2D-пределу не только ставит фундаментальные вопросы о природе топологической стабильности в условиях сильных флуктуаций, но и открывает беспрецедентные возможности для миниатюризации и управления спиновыми текстурами на атомарном уровне.
Список литературы
- Fert, A., Reyren, N., & Cros, V. (2017). Magnetic skyrmions: advances in physics and potential applications. Nature Reviews Materials
- Jiang, W., Upadhyaya, P., Zhang, W., et al. (2015). Blowing magnetic skyrmion bubbles. Science
- Mermin, N. D., & Ho, T.-L. (1976). Circulation and angular momentum in the A phase of superfluid helium-3. Physical Review Letters
- Huang, P., et al. (2020). Stabilization and control of topological magnetic solitons in magnetic nanodisks. Nature Communications
- Гуляев, Р. В., & Жердев, А. А. (2021). Скирмионы в двумерных магнетиках: от теории к спинтронике. Успехи физических наук
