В традиционных решётчатых структурах из плиток простые магнитные упорядоченные состояния обычно характеризуются коллинеарным расположением спинов, обусловленным преимущественно обменными взаимодействиями Гейзенберга. Однако в условиях стремительного развития технологий микро- и нанофабрикации особый научный интерес вызывают низкоразмерные криволинейные геометрии, способные нарушать пространственную инверсионную симметрию. Этот эффект кривизны в сочетании со спонтанным нарушением симметрии обращения времени в магнитных материалах может приводить к появлению неколлинеарных спиновых текстур — таких как магнитные вихри, хопфионы и скайрмионы. Эти сложные магнитные структуры обладают значительным потенциалом для фундаментальных исследований в области физики, а также для разработки следующего поколения высокоплотных энергонезависимых запоминающих устройств и спинтронных приборов. Исследователи изучают различные магнитные конфигурации на искривлённых поверхностях, стремясь использовать геометрический дизайн для реализации топологического магнетизма и хиральных магнитных состояний, тем самым открывая новые пути для проектирования принципиально новых электронных материалов.

Несмотря на значительный прогресс в этой области, современные исследования по‑прежнему сталкиваются с серьёзными трудностями, особенно при изучении радиального магнетизма в высококачественных кристаллических изогнутых структурах. В большинстве предыдущих работ использовались преимущественно аморфные или поликристаллические материалы. Из‑за сильного геометрического демагнитизирующего поля магнитная легкоаксиальная ось плёнок обычно ориентирована в плоскости, что затрудняет достижение идеального радиального распределения. Кроме того, точное управление решёточной напряжённостью в процессе изгибания при сохранении высокого уровня кристаллического качества остаётся ключевой технической задачей при создании высокоэффективных микроструктурированных устройств.

Для решения указанных выше задач исследовательская группа, в состав которой вошли Институт физики Китайской академии наук, Университет Китайской академии наук, Цинхуа университет и Лаборатория материалов «Суншаньху», провела систематические исследования с использованием безмасочного выравнивателя DMD компании ZEPTOOLS. Применяя метод анизотропной самосборки на основе межфазного напряжения в двойных слоях SrTiO3/SrRuO3, команда впервые осуществила точное формирование радиально изогнутых магнитных структур и изучила механизмы магнитоэлектрического транспорта в микротрубках из SrRuO3 высокого кристаллического качества.

Название: Кристаллическая микротрубка из SrRuO3, собранная методом напряжения, и возникающий криволинейный магнетизм
Журнал: Передовая наука
URL: doi.org/10.1002/advs.20

Исследовательская группа успешно синтезировала эпитаксиальную двуслойную тонкоплёночную гетероструктуру из титаната стронция и рутената стронция высокого кристаллического качества на подложке из титаната стронция методом импульсного лазерного напыления. Путём продуманного введения жертвенного слоя кобальтида стронция толщиной двадцать нанометров и регулирования решёточной несоответствия между эпитаксиальными слоями в плёнке была предварительно запасена определённая межфазовая энергия деформации. Благодаря точному выбору ориентации кристалла подложки учёные добились анизотропного управления распределением деформаций, тем самым заложив физическую основу для последующего высвобождения энергии деформации, которое приводит к самосворачиванию плёнки в микрометровые трубчатые структуры.

В ключевых этапах микро‑/нанофабрикации исследователи сначала использовали безмасочную систему выравнивания ZEPTOOLS на основе DMD для осуществления локализованного структурирования гетеропереходных тонких пленок в масштабе миллиметров, после чего с помощью ионно‑лучевой травки точно задавали форму прямоугольных или дискообразных микроструктурных элементов. После избирательного удаления подложечного слоя кислотным раствором предварительно напряжённые эпитаксиальные двуслойные пленки спонтанно сворачивались вдоль определённых кристаллографических осей, в конечном итоге формируя микротрубки с регулируемым диаметром от субмикронных до нескольких десятков микрометров. Этот технологический процесс не только обеспечивает сохранение чрезвычайно высокого кристаллического качества изогнутых структур, но и преодолевает ограничения традиционных методов при создании сложных трёхмерных геометрий за счёт самосборки, управляемой механическим напряжением.

В экспериментах были всесторонне исследованы магнитные свойства массивов микротрубок с использованием сверхпроводящего квантового интерферометра (SQUID). Полученные результаты подтвердили, что пленки рутената стронция после прокатки обладают уникальной радиальной магнитной конфигурацией. Благодаря сильной спин‑орбитальной связи в кристалле рутената стронция и возникающей магнитокристаллической анизотропии магнитная легкая ось всегда остаётся перпендикулярной поверхности пленки; в геометрии микротрубок это проявляется в непрерывном вращении магнитного момента по радиальному направлению. Такой радиально симметричный вращающийся магнитный порядок при отсутствии внешнего поля демонстрирует нормированную остаточную намагниченность около 63,7%, что прекрасно согласуется с предсказаниями теоретических моделей, убедительно свидетельствуя о том, что исследовательской группе удалось успешно создать систему чисто радиального изогнутого магнетизма.

Для более глубокого понимания влияния кривизны на механизмы рассеяния электронов исследовательская группа провела измерения магнитосопротивления в зависимости от температуры и угла падения на отдельных микротрубках. Рассматривая микротрубку как эквивалентную совокупность множества продольно расположенных плоских тонкоплёночных полос, учёные разработали интегральную физическую модель, которая успешно воспроизвела внутреннюю связь между общим сопротивлением микротрубки и локальным распределением магнитного момента. Исследование показало, что анизотропный эффект магнитосопротивления в микротрубке связан не только с внешним магнитным полем, но и в ещё большей степени отражает сохранение вращательной симметрии решётки в искривлённом пространстве и её модуляцию процессов переноса заряда. Данное достижение предоставляет важнейшие экспериментальные данные и теоретическую основу для проектирования новых спинтронных устройств, основанных на трёхмерных искривлённых магнитных конфигурациях.

Серия ZML компании ZEPTOOLS — это безмасочный выравниватель на основе DMD, который заменяет традиционные фотомаски, обеспечивая быстрое и гибкое проектирование литографических рисунков. Он поддерживает двумерную литографию и 8‑битную градацию серого, удовлетворяя любые требования в области микронного масштаба, и широко применяется в таких областях, как MEMS, микрофлюидика и многих других.