Физики из Исследовательского центра Юлиха и Гамбургского университета обнаружили, что на атомном уровне природа различает изображение и зеркальное отображение магнитных структур. С помощью компьютерного моделирования в Юлихе и экспериментов в Гамбурге они обнаружили так называемую «гомохиральную» магнитную структуру в тонком слое металла, как описано в статье, опубликованной в журнале «Nature». Версии с зеркальным вращением нет. Исследователи нашли эту удивительную избирательность очень интересной, поскольку, с одной стороны, она открывает совершенно новую область исследований, а с другой стороны, она также может привести к применению в «спинтронике», многообещающей области технологий будущего.
Хотя изображение и зеркальное отражение кажутся похожими, они не обязательно идентичны - это открытие ни в коем случае не является революционным. Ученые называют структуры, изображение и зеркальное отображение которых нельзя наложить друг на друга, «хиральными». Примером этого является человеческая рука. В низкоразмерных системах хиральность проявляет удивительные свойства. Так, например, в природе многие биополимеры, такие как аминокислоты, строительные блоки белков, встречаются только в одном из двух теоретически мыслимых вариантов: таким образом, они гомохиральны. Форма зеркального отображения существует только в лаборатории.
Физики из Исследовательского центра Юлиха и Гамбургского университета обнаружили, что в случае магнитных структур природа также предпочитает одну форму, а не ее зеркальное отражение в тонких металлических структурах. Они сообщают о своих выводах в текущем выпуске влиятельного журнала «Nature». С помощью компьютерного моделирования они подсчитали, что в одном атомном слое марганца всегда возникает одно и то же трехмерное повернутое расположение, а не зеркальное отображение. Это подтвердили и их эксперименты. «Такие хиральные структуры являются горячими кандидатами для практического применения, например, в многообещающей области «спинтроники», поскольку они позволяют сочетать электронные, оптические, магнитные и структурные свойства», - профессор Штефан Блюгель, директор Юлихского института твердого тела. State Research подчеркивает важность этого открытия.
«В компонентах будущего протекающий ток может передавать вращательный момент магнитной структуре и тем самым приводить ее в движение». Крошечные формы не новы, но ранее они были известны только в очень редких кристаллических структурах. Эта работа физиков из Юлиха впервые показала, что это явление также присутствует в других материалах, которые относительно легко производить, легко исследовать и которые уже широко используются в практических приложениях, а именно в тонких металлических пленках. Авторы сопроводительной статьи в разделе «Новости и взгляды» журнала Nature убеждены, что эти вопросы представляют собой нечто большее, чем академический вызов: «Понимание и контроль поворотов и поворотов магнитных состояний тонкой пленки вполне могут быть полезны для новых приложений, таких как магнитные носители сверхвысокой плотности записи."
Магнитная структура, обнаруженная физиком-теоретиком Блюгелем и его коллегами, напоминает прибойную волну, движение которой заморожено, а форма вытянута и выстроена подобно нитке бус. Зеркального отражения, то есть перевернутой волны, нет, по крайней мере, в исследованном марганцевом слое. Однако расчеты необходимо повторять для каждого материала и всех толщин слоев. И эти вычисления очень утомительны - они занимают десятки тысяч часов вычислительного времени на самых быстрых из доступных в настоящее время компьютеров. Ученым выгодно иметь свободный доступ к двум так называемым суперкомпьютерам в Институте вычислительной техники Джона фон Неймана (NIC) в Юлихе, так что время вычислений может быть сокращено примерно до месяца. Это позволяет им исследовать еще более сложные магнитные структуры.
Исследователям удалось совершить свой научный прорыв, потому что они включили в свои расчеты магнитное взаимодействие, которое ранее игнорировалось, так называемое взаимодействие Дзялошинского-Мория (ДМ), которое не имеет значения при рассмотрении объемных свойств марганец и подобные металлы. Однако физикам удалось установить, что это взаимодействие возникает при осаждении на подложку одиночных атомарных слоев марганца. Тогда взаимодействие ДМ является решающим механизмом уникального расположения элементарных магнитных моментов.
Юлихским физикам твердого тела впервые удалось количественно определить силу этого взаимодействия. Ученые убеждены, что их открытия приведут к фундаментальным изменениям в понимании магнетизма в наномасштабе. «Наша работа создаст новую основу и откроет совершенно новое исследовательское поле. На данный момент наши исследования все еще находятся в зачаточном состоянии», - говорит Блюгель. А авторы сопроводительной статьи в «Nature» подтверждают, что «…многие более ранние результаты придется пересмотреть».