Sterowane laserowo femtosekundowe prądy spinowe dla nierównowagowej ultraszybkiej fotoniki
Kierownik projektu : dr Ilya Razdolskiy
NCN ID: 2019/35/B/ST3/00853
Technologie informatyczne (IT) są dzisiaj najważniejszym czynnikiem decydującym o postępie w takich
dziedzinach, jak np.: automatyzacja, komunikacja, robotyka, obronność, medycyna. Postęp w zakresie urządzeń
związanych z IT (komputery, pamięci operacyjne, pamięci masowe, układy logiczne….) uwarunkowany jest z
jednej strony nowymi koncepcjami często wykorzystującymi nowo odkryte zjawiska fizyczne, z drugiej
natomiast postępem w zakresie technologii umożliwiających wytworzenie nowych materiałów, które mogą
zagwarantować realizację tych koncepcji.
Nasz projekt badawczy dotyczy szczegółowego zbadania grupy materiałów, które są ważne dla
realizacji nowej, intensywnie rozwijanej koncepcji magnetycznych pamięci masowych i układów logicznych
wykorzystujących skyrmiony. Skyrmiony to magnetyczne quasicząstki (topologiczne obiekty) wykazujące
wirową strukturę spinów. Ich istotnymi zaletami są:
• możliwość uzyskania skyrmionów w strukturach cienkich warstw wytwarzanych metodami kompatybilnymi
z technologią układów scalonych,
• małe rozmiary (dla określonych materiałów rzędu nanometrów) pozwalające uzyskać duże gęstości zapisu
informacji,
• możliwość generowania, przemieszczania i detekcji metodami elektrycznymi.
Właściwości te stwarzają realną szansę na skonstruowanie pamięci masowych w postaci wąskich
pasków utworzonych z cienkich warstw magnetycznych, w których skyrmiony będą przesuwane w wyniku
przepływu prądu. W takim sekwencyjnym zapisie informacji obecność (brak) skyrmionu odpowiadać będzie
logicznemu zeru (jedynce). W ostatnich trzech latach ukazało się blisko 150 publikacji (ponad 30 w 2017 roku)
dotyczących występowania skyrmionów w ferromagnetycznych (FM) warstwach umieszczonych pomiędzy
warstwami metalu (M) lub izolatora (I). W pracach tych wykazano, że ważną cechą tych układów warstwowych
jest oddziaływanie nazywane w fachowej literaturze oddziaływaniem Dzyaloshinskii-Moriya (DM), które
faworyzuje niekolinearną konfigurację spinów zlokalizowanych na sąsiadujących ze sobą atomach warstwy FM.
Dzięki temu ułatwione jest tworzenie wirowych struktur magnetycznych.
Oddziaływanie DM w układach warstwowych ma charakter powierzchniowy. Oznacza to, że w
strukturach złożonych z ultracienkich warstw może odgrywać istotną rolę. Badając indukowaną prądem
propagację skyrmionów stwierdzono, że ruch skyrmionów zachodzi nie tylko w kierunku płynącego prądu, ale
ma również składowa prostopadłą. W efekcie skyrmion porusz się po zakrzywionej trajektorii (podobnie jak
podkręcona piłka). Z punktu widzenia zastosowań jest to efekt niekorzystny. W minionym roku ukazało się kilka
teoretycznych prac wskazujących na to, że efekt ten można zniwelować zastępując pojedynczą warstwę FM,
wykazująca oddziaływanie DM, układem dwóch takich warstw. Istotne jest przy tym to, by wykazywały one
tzw. antyferromagnetyczne oddziaływanie. Oznacza to, że bez pola magnetycznego kierunki namagnesowania w
sąsiadujących ze sobą warstwach FM są zorientowane względem siebie antyrównolegle.
We wspomnianych publikacjach autorzy zwracają szczególną uwagę na to, że w układach ultracienkich
warstw złożonych z ferro- i nieferromagnetycznych sub warstw struktura magnetyczna uwarunkowana jest
takimi czynnikami jak: anizotropia magnetyczna warstw FM, oddziaływanie pomiędzy warstwami FM,
oddziaływanie DM. Niestety dotychczas brak systematycznych badań struktur warstwowych, w których, oprócz
anizotropii magnetycznej, badany byłby wpływ zarówno oddziaływania wymiany jak i oddziaływania DM na
proces przemagnesowania i strukturę magnetyczną. Celem przedkładanego projektu jest wypełnienie tej luki.
Realizacja tego zadania jest trudna zarówno od strony technologicznej, jak i pomiarowej. Struktury
wielowarstwowe należy wytwarzać w warunkach ultrawysokiej próżni, a grubości warstw muszą być
kontrolowane z precyzją porównywalną z rozmiarami atomów. Badania właściwości magnetycznych muszą być
realizowane z wykorzystaniem metod gwarantujących niezwykłą czułość oraz rozdzielczość. Doskonale nadają
się do tego metody magntooptyczne wykorzystujące zmianę polaryzacji światła w wyniku oddziaływania światła
z materiałem magnetycznym. Projekt będzie realizowany na Uniwersytecie w Białymstoku w Zakładzie Fizyki
Magnetyków, który dysponuje najlepszym w Polsce wyposażeniem do magnetycznych pomiarów nanostruktur
warstwowych.
Pomiary uzupełniające przeprowadzone będą w Leibniz Institute for Solid State and Materials Research
Drezno, który jest światowym liderem w dziedzinie badań magnetycznych z wykorzystaniem metod
magnetooptycznych. Struktury warstwowe przeznaczone do badań wytwarzane będą w Instytucie Fizyki
Molekularnej PAN. Wieloletnie doświadczenie tych trzech zespołów oraz doskonałe wyposażenie są gwarantem
realizacji projektu.