Спинтроника — это направление в физике и инженерии, использующее спин электрона и магнитные свойства материалов для передачи, хранения и обработки информации. Разработка в области трёхмерных (3D) спинтронных устройств знаменует собой важную веху на пути к созданию следующего поколения памяти и вычислительных технологий. Недавно в научном сообществе появился первый свободноформенный 3D-спинтронный прибор, способный раскрыть новые физические явления, вызванные взаимодействием геометрической и спиновой хиральностей в сложных магнитных структурах. Это достижение не только углубляет наше представление о фундаментальных свойствах магнетизма в трехмерном пространстве, но и прокладывает дорогу для практических приложений в области трёхмерных устройств памяти и логики. По сути, спинтроника использует не только заряд электрона, как в традиционной электронике, но и его спин — квантово-механическую характеристику, ответственную за магнитные свойства.
Управление направлением магнитных доменных стен (DW — domain walls), границ между областями с разной магнитной поляризацией, лежит в основе памяти на «магнитных треках» (racetrack memory), где данные хранятся и перемещаются посредством управляющих токов. Применение мультифотонной литографии высокого разрешения позволило впервые реализовать изготовление 3D магнитных лент с заданной хиральной геометрией — ленты скручены в спирали с отбором направления скрученности, то есть имеют правозакрученную либо левозакрученную структуру. Эта тонкая настройка геометрической хиральности даёт возможность изучать, как форма влияет на поведение магнитных доменных стен при воздействии токов, и позволяет синтезировать новые физические эффекты, недоступные в плоских или двумерных структурах. Эксперименты показали, что движение доменных стен в таких 3D-структурах существенно зависит от сочетания направления скрученности ленты и конфигурации доменной стены. Доменные стены могут либо беспрепятственно двигаться по магнитной ленте, либо застревать и блокироваться в определённых её областях.
Это явление обусловлено формированием 'крутильного поля' — эффективного магнитного поля, возникающего из-за сочетания обменного взаимодействия внутри доменной стены и геометрического кручения ленты. Такое поле способствует стабилизации определённых типов доменных стен с заданной спиновой хиральностью — так называемых хиральных блош-подобных стен (Bloch-type walls) напротив нейлевых стен (Néel-type walls), которые доминируют в плоских структурах с интерфейсным взаимодействием Дзялошиньского–Мория (DMI). Особенно важно, что взаимодействие геометрической и спиновой хиральностей ведёт к эффекту нессиметричного (необратимого) движения доменных стен — имитируя функцию диода или фильтра, который пропускает доменные стены лишь с определённой конфигурацией, затормаживая или блокируя другие. Это открывает новые возможности для реализации логических элементов и памяти с контролируемым направлением переноса информации, что критично для скоростных и энергоэффективных вычислительных систем. Фабрикация 3D свободноформенных магнитных лент осуществлялась с помощью специального суперрезолюционного мультифотонного инструмента, работающего на основе модифицированного STED-микроскопа.
Такой подход позволил создавать полиимерные каркасы с высоким качеством поверхности и шириной элементарных объёмов (вокселей) менее чем 50 нанометров. После формирования структуры на неё напылялась пленка ферромагнитного материала толщиной всего в несколько атомных слоёв с соблюдением тонкой многослойной архитехники. Для обеспечения удобства электрических измерений к 3D-структурам была разработана схема изготовления контактов, не изменяющая и не повреждающая сложной геометрии образцов. Испытания с использованием магнитно-оптического эффекта Керра продемонстрировали, что движение доменных стен под воздействием импульсов электрического тока сильно зависит от направления геометрического скручивания и типа доменной стены. Скорость движения и пороговые величины токов для начала перемещения доменной стены изменяются в зависимости от их характера и величины крутильного угла.
При малых плотностях тока наблюдается эффект эффективного «фильтра доменных стен», в результате чего проходит лишь доменная стена определённой конфигурации. Аналитическая теория, разработанная для описания данного явления, показывает, что геометрическая кручённость задаёт дополнительное эффективное поле, подобное взаимодействию Дзялошиньского–Мория, но связанное с топологией и кривизной магнитной ленты. Это поле создаёт крутильный момент, который может усиливать или ослаблять действие спин-орбитального момента — ключевого механизма для движения доменных стен под воздействием токов. Модель успешно объясняет эксперименты во всех рассмотренных случаях, позволяя прогнозировать оптимальные параметры для управления движением доменных стен в 3D-магнитных устройствах. Кроме того, было показано, что эффекты геометрической кручённости исчезают в синтетических антиферромагнитных (SAF) структурах с двумя магнитными слоями, связанными антиферромагнитной связью, что даёт дополнительные возможности для создания устройств с регулируемыми свойствами.
Это новаторское исследование не только открывает новые направления фундаментальных исследований в области магнитных 3D наноструктур и их взаимодействия со спинными токами, но и прокладывает путь для создания инновационных трёхмерных устройств памяти следующего поколения. Трёхмерные спинтронные устройства могут использоваться для повышения плотности хранения информации, энергоэффективности и скорости работы по сравнению с классическими двумерными аналогами. Потенциальные применения охватывают перспективные области, такие как перераспределяемая логика, нейроморфные вычисления и надёжные интегрированные 3D памяти с произвольной конфигурацией каналов передачи данных. Рацетрековая память, использующая доменные стены для кодирования данных, особенно выигрывает от введения 3D стилизованных трасс с управляемой геометрической хиральностью, поскольку это позволяет создавать новые типы функциональных элементов — фильтры, диоды, мосты и развилки с уникальными характеристиками. В будущем ожидается развитие более совершенных методов литографии и наращивание качества изготовления полупроводниковых и магнитных многослойных структур, что позволит реализовывать сложные 3D конфигурации с заданными параметрами управления магнитными состояниями на наноуровне.
Методы комбинированного моделирования, включающие квантовую и классическую теорию спина, помогут оптимизировать дизайн устройств для практического применения. Таким образом, создание первого свободноформенного 3D-спинтронного устройства знаменует собой важный этап в развитии нанотехнологий и фундаментальной физики, демонстрируя, что форм-фактор и геометрия устройства не только служат физической оболочкой, но активно влияют на его магнитные и электронные свойства. Это открывает перспективы для «геометрической спинтроники», где не только материалы, но и 3D формы задают и контролируют функцию устройств будущего.
