Проект направлен на развитие и качественное углубление понимания физики топологических магнитных возбуждений в двумерных и слоистых структурах переходных металлов, синтезируемых в последние годы. Класс магнитных соединений с редуцированным кристаллическим полем особо выделяется на фоне объёмных кристаллов более высокой чувствительностью к внешним полевым, электрическим, химическим и механическим воздействиям. Это открывает широкие горизонты для коммерциализации технологий спинтроники в области построения элементарных логических устройств и модулей компьютерной памяти высокой производительности и малого энергопотребления.
Однако теоретическое изучение магнетизма в двумерных и слоистых материалах также всегда сопряжено с дополнительными трудностями - методологического и технического свойства. Теорема Мермина-Вагнера, запрещающая возникновение в таких системах термически стабильного магнитного порядка за счёт Гейзенберговского обменного взаимодействия, указывает на необходимость различных по природе механизмов, чей компенсаторный эффект в этом случае порождает магнитное состояние материала. Это означает, что для построения физически адекватной модели необходим строгий учёт всех таких механизмов, поэтому сложность численного решения модели резко возрастает. С другой стороны, многие представители класса квазидвумерных магнетиков демонстрируют металлический характер электронной структуры, что делает численное рассмотрение на уровне отдельных атомов и их орбиталей ещё более затруднительным: высокая концентрация электронов проводимости делает интенсивность короткодействующих и дальнодействующих взаимодействий соизмеримой, а прямые пространственные суммы парных взаимодействий - численно нестабильными. Это приводит к неспособности адекватной оценки макроскопических характеристик материала, таких как температура Кюри, тензор спиновой жесткости, период спиновой спирали и др.
Главная цель Проекта - методологическое развитие аппарата функций Грина с пространственным разрешением внутри кристалла, для численно стабильного моделирования топологических магнитных возбуждений в двумерных и слоистых материалах; а также применение этого аппарата для изучения магнитных свойств передовых и наиболее перспективных квазидвумерных соединений переходных металлов Fe3GeTe2, Cr2Ge2Te6 и др.
Для этого будет проведена аналитическая работа по выводу выражений для нахождения вектора атомного магнитного вращающего момента (on-site magnetic torque), парных анизотропных взаимодействий Дзялошинского-Мория и тензора одноузельной магнитной анизотропии с использованием нелокальных функций Грина. Это впервые позволит вести численно устойчивое теоретическое рассмотрение коллективных магнитных возбуждений с атомной и орбитальной детализацией в веществах с проводящей электронной структурой. Применение данных выражений будет организовано на основе современных подходов первопринципного моделирования. Ожидается, что прямая покомпонентная реконструкция анизотропной картины магнитных взаимодействий (на уровне электронных и спиновых гамильтонианов) позволит не только качественно расширить понимание физических механизмов, лежащих в их основе, но и очертит новые горизонты их приложения к существующим и перспективным компьютерным модулям нового поколения.
Ожидаемые результаты:
Общий набор ожидаемых результатов Проекта имеет две составляющие: методическую и прикладную. Развитие аппарата функций Грина будет реализовано путём строго, а не усреднённого учёта их пространственной размерности (в представлении обратного пространства) в ходе оценки макроскопических характеристик реальных квазидвумерных магнитных материалов. Это даст исследователям оригинальную возможность проводить численно устойчивое теоретическое моделирование сложных коллективных топологических магнитных возбуждений в технологически востребованных проводящих соединениях, причём с атомным и даже орбитальным разрешением. Оценка анизотропных обменных взаимодействий Дзялошинского-Мория даёт возможность строить и параметризовать спиновые модели, решение которых позволяет воспроизводить указанные возмущения в своём полном кристаллографическом масштабе. Это усиливает не только иллюстративный компонент, ценный в любом современном физическом исследовании, но и открывает новые перспективы непосредственного изучения качественного и количественного влияния внешних полевых и механических воздействий на разворачиваемую картину магнетизма реальных материалов. Полученные теоретические результаты будут апробированы на известных гелимагнетиках FeGe, MnGe, MnSi и др.
В прикладном ключе ожидается качественный прорыв в понимании предпосылок и механизмов возникновения топологических магнитных возмущений в квазидвумерных соединениях переходных металлов Fe3GeTe2, Cr2Ge2Te6 и других. Данные материалы сегодня являются передовыми в классе двумерных магнетиков и привлекают огромное внимание исследователей, в силу высокой температуры Кюри, потенциально повышаемой до комнатной [Nano Lett. 18, 5974−5980 (2018); Nature 563, 94−99 (2018); Nanoscale Res. Lett. 15, 226 (2020)]. Впервые с микроскопическим разрешением удастся воспроизвести такие экспериментально доступные характеристики, как атомный магнитный вращающий момент, тензор одноузельной магнитной анизотропии, пространственные метрики периодических магнитных возмущений (спиновые спирали и скирмионы). Будут построены, параметризованы и решены спиновые модели, включающие в себя взаимодействия Дзялошинского-Мория, одноузельную анизотропию и внешнее магнитное поле. Это позволит провести детальную реконструкцию топологических магнитных возбуждений и проанализировать их чувствительность к внешним воздействиям, реализуемым экспериментально.
Данные результаты представляют ценность в области построения модулей компьютерной памяти нового поколения, в которых в качестве носителя условной единицы информации используется топологическое магнитное возбуждение. На основе результатов будут сформулированы рекомендации для последующего синтезирования новых образцов - с целью повышения температуры магнитного перехода (до комнатных температур, принципиально важного условия функционирования устройства для его промышленного производства в современных условиях мировой экономики) и степени контроля микроскопической магнитной картины достижимыми экспериментально воздействиями (механическими и полевыми).