Ученые открыли необычное магнитное поведение, которое раньше наблюдали только в жидких кристаллах — тех самых, что в экранах наших телефонов и мониторов. Речь о нематическом порядке, когда вытянутые молекулы выстраиваются в одном направлении, но при этом сохраняют хаотичное, «жидкое» расположение. Однако на этот раз такое упорядочивание обнаружили не среди молекул, а в магнитном материале на основе железа и германия.

Вместо молекул там ведут себя крошечные магнитные вихри — спирали, чьи стрелки-спины постепенно поворачиваются, образуя подобие пружинок. В аморфной пленке, лишенной строгой кристаллической решетки, эти магнитные спирали выровнялись, словно по команде, создав невиданную прежде «нематическую» структуру.

Если представить эти магнитные спирали объектами, которые выстраиваются, их поведение полностью соответствует нематическим фазам, — объясняет Зои Тамблсон, аспирант из Беркли, руководившая работой. — Такие фазы раньше не были известны, и очень интересно, что это явление теперь распространяется на более широкую область исследований.

Чтобы заглянуть внутрь материала и увидеть, как движутся эти спирали, команда использовала две мощные рентгеновские установки:

• Linac Coherent Light Source (LCLS) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC уловила сверхбыстрые движения, длящиеся наносекунды (миллиардные доли секунды).
• Advanced Light Source (ALS) в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли позволила наблюдать медленные смещения, растянутые на сотни секунд.

Эта работа действительно не состоялась бы без сотрудничества между SLAC и Беркли, — признается Тамблсон.

Разница в масштабах времени колоссальна — один процесс происходит в триллион раз быстрее другого. Вместе эти данные рисуют сложную и динамичную картину жизни магнитных вихрей.

Это открытие пока носит фундаментальный характер, но авторы уже заглядывают вперед.

Если научиться управлять такими необычными спирально-нематическими состояниями, возможно, удастся создавать материалы с заранее заданными свойствами, — размышляет соавтор работы Джошуа Тернер, ведущий ученый из SLAC.

Прямо сейчас это похоже на первую карту неизведанной территории.

Мы ухватили лишь узкую полоску того, что на самом деле происходит. Это загадочно и указывает на гораздо более богатую картину, чем мы понимали ранее, — добавляет он.

Отчет об исследовании опубликован в журнале Science Advances.

Польза от этого исследования лежит в плоскости управления материей на фундаментальном уровне. Сегодня мы используем электрические заряды (электронику) или намагниченность (спинтроника) для хранения и обработки информации. Открытие «нематических» магнитных вихрей предлагает третий, гибридный параметр — пространственную хиральность (закрученность) магнитной структуры. Представьте устройство, где бит информации кодируется не просто „вверх/вниз“ намагниченностью, а направлением закрутки (по или против часовой стрелки) и степенью ее упорядоченности. Это потенциально может привести к созданию:

1. Энергоэффективной памяти с множеством состояний, повышающей плотность хранения данных.
2. Новых логических элементов для нейроморфных вычислений, имитирующих работу synapses.
3. Сенсоров и перестраиваемых метаматериалов, чьи свойства (например, пропускание микроволн) можно динамически менять внешним магнитным полем, воздействуя на порядок вихрей.

Основной вопрос, который остается открытым, — это устойчивость и управляемость обнаруженного состояния. Работа проведена на специфических аморфных пленках при определенных, вероятно, низких температурах. Критически важно понять, при каких условиях (температура, внешнее поле, толщина пленки) этот нематический порядок возникает, стабилен ли он в широком диапазоне, и как им точно манипулировать. Без ответов на эти вопросы разговор о практическом применении преждевременен. Кроме того, необходимы прямые микроскопические методы (например, спин-поляризованная просвечивающая электронная микроскопия) для прямой визуализации упорядочения спиралей в реальном пространстве, а не только через рассеяние рентгена.

Ранее ученые провели исследование, меняющее подход к использованию магнитов в медицине.