Kąt skręcenia zmienia wszystko
Okazuje się, że kluczowym parametrem jest precyzyjny kąt, pod którym ułożone są względem siebie dwie warstwy. Naukowcy, korzystając z zaawansowanej skaningowej magnetometrii z wykorzystaniem centrów azotowo-wakancyjnych w diamencie oraz symulacji komputerowych, analizowali zachowanie spinów w różnych konfiguracjach. Rezultaty były zaskakujące. Maksymalne rozmiary tekstur magnetycznych, sięgające około 300 nanometrów, obserwowano przy specyficznym kącie skręcenia wynoszącym zaledwie 1,1 stopnia. Co intrygujące, zachowanie to jest przeciwstawne do standardowej zależności długości fali moiré od kąta. Podczas gdy długość fali moiré rośnie przy mniejszych kątach, tekstury magnetyczne osiągały gigantyczne rozmiary tylko w wąskim zakresie. Po przekroczeniu około 2 stopni struktury te przestawały się pojawiać.
Czytaj też: Fizycy odkryli lewitujące kryształy czasu. Możesz wziąć je w ręce i wykorzystać na wiele sposobów
To odkrycie pokazuje, że skręcanie to nie tylko pokrętło elektroniczne, ale także magnetyczne. Obserwujemy, jak zbiorowy porządek spinowy samoorganizuje się w skalach znacznie większych niż sieć moiré – zauważa Elton Santos
Za tym fenomenem stoi złożona interakcja trzech czynników: oddziaływań wymiany, anizotropii magnetycznej oraz oddziaływań Działoszyńskiego-Moriyi. Każdy z tych elementów „ciągnie” spiny w swoim kierunku, a delikatny obrót warstw zmienia układ sił między nimi, prowadząc do powstania nieoczekiwanych struktur.
Skyrmiony bez litografii i silnych prądów
Jednym z najbardziej interesujących wniosków jest to, iż zaobserwowane gigantyczne tekstury to najprawdopodobniej rozbudowane skyrmiony antyferromagnetyczne typu Néela, które rozciągają się na wiele komórek siatki moiré. Skyrmiony to szczególne, węzłowate układy spinów, zachowujące się jak oddzielne, trwałe obiekty. Dzięki swojej topologicznej naturze są one wyjątkowo odporne na zaburzenia. W spintronice od dawna rozważa się wykorzystanie skyrmionów jako nośników danych.
Dotychczasowym wyzwaniem była ich wytwórczość, wymagająca często skomplikowanej litografii, zastosowania metali ciężkich lub dużych gęstości prądu. Obecne badania wskazują, iż można je generować w znacznie prostszy sposób – przez odpowiednie skręcenie dwóch warstw materiału. Struktury super-moiré zaobserwowano w dość szerokim zakresie temperatur, od około -269°C do -238°C. Co ważne, nie tylko pozostawały one stabilne pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego, ale wręcz stawały się bardziej wyraźne przy jego wyższych wartościach.
Energooszczędna przyszłość komputerów
Wymiary tych struktur, mieszczące się w setkach nanometrów, wydają się niemal idealne dla potencjalnych zastosowań. Są na tyle duże, by można je było detekować i manipulować nimi przy użyciu współczesnej technologii, a jednocześnie na tyle małe, by upakować ich dużą liczbę na niewielkim obszarze. Największą obietnicą jest niezwykle niskie zużycie energii. Trójjodek chromu jest izolatorem, a topologiczna ochrona skyrmionów mogłaby pozwolić na budowę układów obliczeniowych o radykalnie mniejszym apetycie energetycznym niż obecne procesory. To potencjalna droga do rozwoju technologii post-CMOS, szczególnie ważna w obliczu rosnących potrzeb energetycznych informatyki.
Czytaj też: Plastikowe odpady to teraz wysokowartościowe materiały węglowe. Mamy nową metodę walki z zanieczyszczeniami
Naukowcy zwracają uwagę, że odkrycie to wprowadza nową koncepcję: porządek spinowy super-moiré, funkcjonujący jednocześnie na różnych skalach długości. Powstanie struktur mezoskalowych z atomowych przesunięć podważa dotychczasowy pogląd, jakoby efekty moiré były wyłącznie lokalne. W tym ujęciu kąt skręcenia staje się podstawowym parametrem kontrolnym, prostym środkiem o potężnych konsekwencjach. Oczywiście, to dopiero pierwszy krok. Kolejne badania będą skupiać się na testowaniu innych materiałów i konfiguracji w poszukiwaniu optymalnych warunków dla tworzenia i sterowania tymi teksturami. Prawdziwy przełom nastąpi, jeśli uda się uzyskać podobne efekty w temperaturze pokojowej oraz opracować wydajne metody zapisu i odczytu danych.