Міжнародна команда фізиків вивчила енергетичну структуру спірального антиферомагнетика GdRu2Si2. Виявлено нові особливості, що дозволить поліпшити прилади, що використовують магнітну пам’ять.
Робота опублікована у журналі Nanoscale Advances. Щороку на планеті створюються та збираються сотні петабайт даних, які треба десь зберігати. Пристрої, що використовуються зараз, наприклад типів hdd і ssd, мають недоліки у вигляді відносної крихкості та обмеженості у можливості зберігання даних. Одним з наступних етапів розвитку цієї галузі може бути перехід до магнітних накопичувачів, які використовують невеликі «вихори». Ці магнітні вихори, які називають скирміонами, утворюються в деяких речовинах і можуть мати розмір у мільярдні частки метра.
Як показують дослідження, скирміони виявилися надзвичайно стійкими до зовнішніх впливів. Ще однією їх важливою особливістю є те, що вчені можуть контролювати їхню поведінку, змінюючи температуру або застосовуючи електричний струм. Однак ця область залишається ще досить слабо вивченою, і необхідні дослідження, спрямовані на покращення розуміння властивостей та влаштування таких речовин.
Завданням вчених було дослідження властивостей цього матеріалу та передбачення можливих кандидатів, які могли б виявити незвичайні властивості магнітних скирміонів, а також отримання детальної інформації про поверхневі та об’ємні електронні структури і, найголовніше, про те, як електронна структура модифікується при зміні температури.
Були вирощені монокристали GdRu2Si2 високої чистоти та структурної якості. Зразки скелювали у надвисокому вакуумі та проводили дослідження їх електронної енергетичної структури за різних температур за допомогою фотоелектронної спектроскопії. Використання синхротронного випромінювання дозволило отримати дані високої якості. Експериментальні результати зіставлялися з розрахунками електронної структури, виконаними у межах теорії функціонала щільності.
Таким чином, автори досліджували об’ємну та поверхневу електронну структуру матеріалу GdRu2Si2. Хороша згода експериментальних та теоретичних результатів дозволила детально охарактеризувати властивості та орбітальний склад поверхні Фермі GdRu2Si2. Вдалося з’ясувати, що спіральна магнітна структура матеріалу, що лежить в основі утворення решітки скирміонів, обумовлена особливою геометрією поверхні Фермі.
Зокрема, головну роль відіграють ділянки поверхні Фермі, відмічені червоною стрілкою на зображенні вище. Саме вони відповідають за незвичайну магнітну взаємодію, що призводить до утворення магнітних вихорів. Хоча в GdRu2Si2 фаза скирміонів виникає при досить низькій температурі, глибоке розуміння фірми скирміонів, що лежить в основі, в центросиметричних системах може допомогти передбачити нові матеріали, в яких скирміони нанорозміру можуть з’явитися при істотно вищій температурі, а можливо, навіть при кімнатній.