Магнит на холодильнике держится потому, что крошечные атомные стрелки внутри него выстроены в одном направлении. Но если эти стрелки начинают спорить друг с другом — одни тянут влево, другие вправо, третьи крутятся волчком — возникает магнитная фрустрация. Такой беспорядок рождает причудливые узоры: полосы, спирали, вихри. Учёные изучили, как управлять этой фрустрацией в тонкой плёнке оксида стронция-рутения с помощью электрического поля.
В работе соединили расчёты на компьютере и моделирование поведения миллионов атомных стрелок. Оказалось, что если отбирать электроны из плёнки (дырочное легирование), магнитные взаимодействия между соседними слоями перестают согласовываться, и фрустрация растёт. А если добавлять электроны, магнетизм почти не меняется. На границе двух оксидов — титаната бария и рутената стронция — электрическое поле от поляризации титаната бария обедняет электронами верхние слои рутената. Это меняет силу взаимодействий между слоями и запускает фрустрацию.
В зависимости от толщины плёнки и внешнего магнитного поля фрустрация стабилизирует целую последовательность фаз. Появляются полосатые домены, спиральные состояния, а затем — топологические объекты: мероны, бимероны и разнообразные скирмионы. Эти вихри напоминают крошечные магнитные узелки, которые не распутываются сами собой. Их можно двигать электрическим полем, а не током, что обещает энергоэффективную память и логику.
Так электрическое поле становится инструментом, который переключает материал между простым магнитом и магнитным калейдоскопом. Тот же самый оксид стронция-рутения, который в объёме ведёт себя как обычный ферромагнетик, в тонкой плёнке под напряжением превращается в фабрику топологических текстур. И этой фабрикой можно управлять, просто меняя напряжение на затворе.
Скирмионы названы в честь британского физика Тони Скирме, который в 1960-х годах предложил их как математическую модель частиц в ядерной физике, задолго до того, как их обнаружили в магнитных материалах.
В романе Грега Игана «Диаспора» вычислительные устройства используют топологические состояния для защиты информации от помех — идея, перекликающаяся с надеждой на скирмионную память.