Спинтроника — это одна из наиболее быстро развивающихся областей современной физики и нанотехнологий, исследующая спин электрона и его взаимодействие с электрическим зарядом для создания новых типов устройств, превосходящих традиционные по скорости, энергопотреблению и функциональности. Недавно сделан решающий шаг вперёд: впервые было создано свободноформенное трёхмерное спинтронное устройство, которое демонстрирует феномены, ранее невозможные для реализации в традиционных плоских конфигурациях. Основой успеха стала разработка и применение передовой технологии мультифотонной литографии, позволяющей создавать очень точные 3D конструкции на полимерных каркасах, которые затем тонко покрываются магнитными многослойными пленками. Такая комбинация технологий позволила получить трехмерные скрученные магнитные ленты с контролируемой геометрической хиральностью — правой или левой закруткой — с точностью до десятков нанометров. Важнейшая особенность таких структур — взаимодействие геометрической хиральности с внутренними спиновыми состояниями магнитных доменов в материале.
В частности, в этих 3D лентах можно управлять движением магнитных доменных стенок, которые служат носителями информации в перспективных энергоэффективных устройствах памяти типа «расчётной дорожки» (racetrack memory). Именно взаимодействие между формой проводника и спиновыми предпочтениями приводит к неожиданным эффектам асимметрии движения этих доменных стенок при воздействии тока, что называется несимметричным токовым управлением. В плоских конструкциях движение доменных стенок определяется главным образом внутренним взаимодействием Дзялошинского-Мориа (DMI), которое стабилизирует хиральность стена и облегчает его перемещение. Однако в трёхмерных закрученных магнитных лентах дополнительно возникает так называемое кручение — геометрический эффект, создающий дополнительное эффективное магнитное поле, которое влияет на ориентацию и скорость движения доменных стенок. Это поле называют торсионным, и его направление зависит от знака геометрической скрутки, а также от конфигурации спиновой хиральности самого доменного стенка.
Эксперименты показали, что при определённых токах только доменные стенки с конкретной спиновой хиральностью могут преодолеть преграды в трёхмерной ленте, тогда как другие встречают сопротивление и задерживаются. Таким образом, магнитная лента начинает выполнять функцию фильтра или диода доменных стенок, позволяя эффективное управление направление и скорость переноса спиновых состояний. Это явление имеет огромный потенциал для создания устройств с новым уровнем функциональности — трёхмерных магнитных память и логических цепочек. Метод изготовления таких 3D структур основан на мультифотонной литографии с высоким разрешением, позволяющей формировать свободные 3D объекты с параметрами элементов менее 50 нанометров. Это позволяет создавать полимерные каркасы с очень гладкой и точной геометрией без повреждения поверхности, на которые наносится тонкоплёночный магнитный слой методом магнетронного распыления.
При этом особое внимание уделяется сохранению цельности структур и соединений, чтобы обеспечить электрическую проводимость и минимизировать дефекты, влияющие на подвижность доменных стенок. Проведённые оптические и электронные микроскопические исследования подтвердили высокое качество материалов и однородность покрытия пленок. Конфигурации магнитных доменных стенок и их динамику изучали с помощью метода магнитно-керровокого эффекта, позволяющего визуализировать движение доменных стн в реальном времени при подаче электрических импульсов на устройство. Полученные данные и разработанная аналитическая модель позволили понять физику взаимодействия геометрической и спиновой хиральности, показав, что торсионное поле образуется в результате колебаний магнитных обменных взаимодействий в пространственно искривлённой ленте. В условиях малых углов наклона доменных стенок и умеренных токов, текущих через ленту, наблюдается значительный эффект несимметричного движения доменных стенок, при котором скорость и пороговые токи зависят от типа спиновой хиральности стены и направления кручения ленты.
Кроме фундаментального интереса, порождаемые эффекты имеют практическое значение для перспективных многоуровневых устройств хранения и обработки информации. Представленные 3D спинтронные конструкции открывают дорогу к разработке новых высокоплотных энергоэффективных памяти с возможностью трёхмерного конфигурирования и перезаписи, потенциально способных превзойти традиционные двумерные архитектуры по производительности и компактности. Особая роль в этом процессе отводится синтетическим антиферромагнитным структурам, в которых наблюдается компенсация крутильных торсионных эффектов между слоями, что может быть использовано для стабилизации и синхронизации движения нескольких доменных стенок, обеспечивая надежное управление штрихкодом информации. Это открытие демонстрирует, что размерность и геометрия устройств напрямую влияют на поведение спиновых возбуждений и могут быть грамотным образом использованы для создания новых работающих принципов в спинтронике. Эволюция от плоских к трехмерным элементам — естественный и необходимый этап в развитии электроники будущего, как с точки зрения увеличения функциональной плотности, так и расширения совокупного набора эффектов и возможностей.
Дальнейшие исследования сфокусируются на оптимизации материалов, устранении недостатков и дефектов, влияющих на транспорт доменных стенок, а также на интеграции подобных 3D спинтронных структур с другими элементами микроэлектроники. Разработка управляемых и масштабируемых методов производства поможет обеспечить переход этих инноваций из лаборатории на фабрики, открывая перспективы массового применения в стохастических вычислениях, нейроморфных процессорах и перспективных системах памяти. Таким образом, создание первого свободноформенного трехмерного спинтронного устройства не только подтверждает фундаментальные теоретические предсказания, но и открывает новые горизонты для инженерных решений в области наноспинових технологий, предлагая пути к дальнейшему совершенствованию скоростных, энергоэффективных и компактных технологий обработки информации.
