Квантовые расчёты впервые точно определили параметры спиральных магнетиков

Исследователи Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали инновационный метод для точного моделирования характеристик хиральных гелимагнетиков — особых материалов, в которых спины атомов формируют спиральные структуры. Эта работа решает задачу, остававшуюся нерешённой более четырёх десятилетий, и открывает новые возможности для создания передовых спинтронных устройств.

Хиральные гелимагнетики, известные своими спиральными спиновыми конфигурациями, представляют большой интерес для учёных благодаря их потенциалу в разработке энергонезависимой памяти и высокочувствительных сенсоров. Тем не менее, их моделирование представляло значительные трудности из-за масштаба систем: длина спирали в слоистых соединениях может достигать 48 нанометров, что требует учёта множества электронных взаимодействий.

Под руководством профессора Кесона Яна из кафедры химической и наноинженерии, группа ученых предложила метод, основанный на квантовомеханических расчётах из первых принципов. В отличие от традиционных подходов, они сосредоточили внимание на анализе влияния поворота спинов между атомными слоями на суммарную энергию системы. «Мы уделили внимание ключевому моменту — взаимосвязи между спиновой конфигурацией и энергией системы, — отметил Юнь Чэнь, ведущий автор исследования. — Благодаря этому подходу мы смогли использовать компактные суперъячейки и достичь атомарной точности результатов».

Методика была протестирована на основе хиральных магнетиков на базе хрома. Вычисления позволили предсказать три важных параметра: волновой вектор спирали (интенсивность её завитка), длину полного витка спирали (до 48 нм) и критическое магнитное поле, необходимое для изменения структуры. Особенно важен последний параметр, способствующий управлению спиновыми состояниями в устройствах.

«Ранее мы могли только экспериментально исследовать эти структуры. Сегодня же возможно проектировать и совершенствовать их с учётом квантовых взаимодействий», — заявил Ян. Полученные результаты уже вызвали большой интерес среди разработчиков магнитной памяти, так как позволяют существенно увеличить плотность хранения данных за счет контроля спиновых конфигураций.

Исследование не только восполнило важный теоретический пробел в физике магнетизма, но и предоставило новый инструмент для инженеров. В дальнейшем планируется применять метод для изучения других классов материалов, включая топологические магнетики, где спиральные структуры способны демонстрировать уникальные квантовые эффекты.

Источник: iXBT