Физики впервые смогли в реальном времени проследить, как упорядоченная решетка магнитных вихрей постепенно превращается в беспорядочную структуру. Эксперимент позволил непосредственно наблюдать за дефектами, которые возникают и меняются в процессе такого перехода, и установить, что они перемещаются до ста раз быстрее самих магнитных вихрей. Результаты исследования помогают лучше понять фундаментальные механизмы фазовых переходов в двумерных системах и могут открыть новые возможности для разработки энергоэффективных технологий хранения и обработки информации.

Работа опубликована в журнале Nature Nanotechnology в 2025 году. Международная группа исследователей использовала специальную магнитную тонкопленочную структуру и микроскопию Керра, чтобы наблюдать за изменениями магнитной решетки с высоким пространственным и временным разрешением.

Что такое скирмионы и почему они интересуют ученых

В основе эксперимента лежали скирмионы — устойчивые магнитные структуры, которые ведут себя подобно отдельным частицам. Они возникают в определенных магнитных материалах и представляют собой особую конфигурацию спинов — собственных магнитных моментов частиц. Скирмионы примечательны своей топологической природой: их внутренняя магнитная структура обладает определенными свойствами, которые нельзя изменить простым непрерывным преобразованием. Благодаря этому такие образования могут сохранять устойчивость и перемещаться внутри материала, взаимодействуя друг с другом.

В тонких магнитных пленках скирмионы способны формировать упорядоченные двумерные решетки. Это делает их интересными не только для фундаментальной физики, но и для разработки технологий хранения и обработки информации с низким энергопотреблением. Однако особая ценность таких систем заключается в том, что они позволяют изучать фундаментальные процессы, происходящие в двумерной материи. Один из них - плавление, то есть переход от упорядоченного состояния к неупорядоченному.

В обычном трехмерном материале такой переход часто сопровождается достаточно резким разрушением кристаллической структуры. В двумерных системах процесс может происходить иначе: между упорядоченным состоянием и жидкоподобной фазой возникает промежуточное состояние, в котором расположение частиц уже не сохраняет прежний порядок, но их взаимная ориентация остается согласованной. Именно этот процесс физики стремились впервые подробно проследить непосредственно в ходе эксперимента.

Переход от порядка к хаосу происходит в два этапа

Согласно теории Костерлица-Таулеса- Халперина-Нельсона-Янга (KTHNY), плавление в двумерных системах может проходить через две последовательные фазовые перестройки. Сначала разрушается дальний трансляционный порядок - закономерность расположения частиц относительно друг друга. При этом сохраняется ориентационный порядок: частицы продолжают преимущественно ориентироваться в соответствии с общей геометрией структуры. Возникает так называемая гексатическая фаза. Название связано с шестиугольной симметрией, характерной для рассматриваемой системы: в ней сохраняется преимущественная ориентация соседних частиц, хотя их расположение уже не образует полноценную упорядоченную решетку.

На следующем этапе разрушается и ориентационный порядок. Система переходит в жидкоподобное состояние, в котором упорядоченность практически исчезает. Ключевую роль в этих переходах играют топологические дефекты — нарушения идеальной структуры решетки. В частности, это дислокации, связанные с нарушением взаимного расположения соседних частиц, и дисклинации, отражающие нарушения их ориентационного порядка.

Теория предсказывает, что появление и изменение этих дефектов определяют механизм двумерного плавления. Однако до сих пор экспериментальные методы не позволяли с достаточной точностью проследить всю последовательность событий непосредственно в пространстве и времени. Исследователям удалось преодолеть это ограничение, наблюдая за движением отдельных скирмионов и изменениями структуры их решетки.

Как физики наблюдали за плавлением

Для эксперимента ученые создали многослойную магнитную пленку из тантала, кобальта, железа, бора и оксида магния. В ней скирмионы образовывали двумерную структуру, которую удалось стабилизировать внутри области шестиугольной формы.

Микроскопия Керра позволила регистрировать магнитные структуры с пространственным разрешением около 300 нанометров и временным разрешением 62,5 миллисекунды. Это дало возможность отслеживать положение отдельных скирмионов и наблюдать, как меняется их взаимное расположение.

Ученые использовали два способа вызвать переход от упорядоченной решетки к неупорядоченному состоянию.

В первом случае они постепенно увеличивали внешнее магнитное поле, направленное перпендикулярно поверхности образца. Под его воздействием размеры скирмионов уменьшались, вследствие чего снижалась плотность их упаковки. У частиц появлялось больше пространства для перемещения, увеличивалось число доступных конфигураций, и система постепенно теряла первоначальный порядок.

Во втором случае исследователи применяли колебания магнитного поля, повышавшие подвижность скирмионов. Это позволяло усилить их диффузию и вызвать переход к неупорядоченному состоянию другим способом.

Оба подхода привели к согласующимся результатам: ученые наблюдали переход от упорядоченной решетки через гексатическую фазу к жидкоподобному состоянию.

При этом исследователи не ограничились сравнением изображений, сделанных в разные моменты времени. Они анализировали корреляции между положениями частиц и их ориентациями, определяя, на каком этапе система теряет каждый из видов порядка.

Так удалось экспериментально проследить последовательность фазовых переходов, предсказанную теорией KTHNY.

Почему открытие важно для технологий будущего

Исследование имеет прежде всего фундаментальное значение: оно позволило непосредственно наблюдать механизм двумерного плавления, который ранее описывался преимущественно теоретически и изучался с ограниченными экспериментальными возможностями.

Однако результаты могут представлять интерес и для разработки новых технологий. Скирмионы рассматриваются как перспективные элементы устройств хранения и обработки информации. Благодаря своим магнитным свойствам они потенциально могут использоваться для создания компактных систем, в которых перемещение и изменение конфигурации информационных элементов требуют относительно небольших затрат энергии.

В таком контексте понимание поведения дефектов приобретает практическое значение. Если удастся контролируемо управлять их образованием, движением и взаимодействием, это может помочь в разработке устройств, способных быстро изменять состояние магнитной структуры. Исследователи отмечают, что при специальной настройке энергетического ландшафта материала некоторые перестройки дефектов потенциально можно сделать управляемыми. В перспективе это могло бы позволить использовать их движение для передачи информации с низким энергопотреблением.

Вместе с тем до практической реализации таких устройств еще далеко. Авторы указывают, что для дальнейших исследований необходимо создавать материалы с меньшим количеством участков закрепления скирмионов, мешающих их свободному движению. Это позволит точнее изучать взаимодействие дефектов, влияние механических деформаций и другие особенности двумерных магнитных систем.