Исследователи из Национального университета Сингапура (NUS) в сотрудничестве с сотрудниками из Оксфордского университета, Diamond Light Source (национального центра синхротронных исследований Соединенного Королевства) и Университета Висконсин в Мэдисоне разработали ультратонкий материал с уникальными свойствами, который может в конечном итоге достичь некоторых из этих целей. Их результаты были впервые опубликованы в журнале Nature 4 февраля 2021 года.
Хранение данных в антиферромагнетиках
В существующих устройствах памяти на ферромагнетиках, таких как жесткие диски, информация хранится в виде определенных структур атомов (называемых битами), внутри которых все маленькие магнитные полюса ориентированы в одном направлении. Такое расположение делает их медленными и чувствительными к повреждению паразитными магнитными полями. Напротив, особый класс материалов, называемых антиферромагнетиками, состоящий из магнитных полюсов на соседних атомах, выровненных противоположно, становится важным для технологий памяти будущего.
В частности, большой интерес представляет создание специальных магнитных наноструктур в антиферромагнетиках, имеющих форму вихрей или вихрей. По сути, каждый узор состоит из множества маленьких магнитных полюсов, обвивающих центральную область сердечника по часовой стрелке или против часовой стрелки, очень похоже на воздух, циркулирующий внутри торнадо или вихря. При экспериментальной реализации комбинации этих антиферромагнитных вихрей были бы весьма полезны, поскольку они являются очень стабильными структурами и потенциально могут перемещаться по магнитным “ гоночным трекам ” со скоростью вихря в несколько километров в секунду!
Они могут действовать как новые типы информационных битов, которые не только хранят память, но и участвуют в вычислительных операциях.
Следовательно, они позволят создать чипы нового поколения, которые будут значительно быстрее, но более энергоэффективны, чем современные устройства.
Экспериментальное открытие водоворотов
На сегодняшний день создание рисунков в антиферромагнитных материалах и управление ими было очень сложной задачей, поскольку издалека они кажутся почти немагнитными. "Стандартные подходы к контролю, такие как использование внешних полей, не работают с этими материалами.
Поэтому, чтобы реализовать эти неуловимые антиферромагнитные водовороты, мы придумали новую стратегию, сочетающую высококачественный синтез пленки из материаловедения, фазовые переходы из физики и топологию из математики », – пояснил доктор Хариом Яни, ведущий автор книги статья и научный сотрудник отдела физики NUS.
Чтобы вырастить эти материалы, исследователи направили лазер на чрезвычайно распространенный и дешевый материал – оксид железа, который является основным компонентом ржавчины. Используя ультракороткие импульсы лазера, они создали горячий пар из атомарных частиц, который сформировал тонкую пленку оксида железа на поверхности.
Профессор Тирумалай Венки Венкатесан, который возглавлял группу NUS и изобрел процесс импульсного лазерного осаждения для изготовления тонкой пленки, подчеркнул универсальность подхода команды. «Процесс осаждения позволяет точно контролировать атомный уровень во время роста, что важно для получения высококачественных материалов. «Наша работа указывает на большой класс систем антиферромагнитных материалов, содержащих фазовые переходы, в которых можно изучать формирование и управление этими вихрями для возможных технологических применений», – сказал он.
Объясняя основной механизм, профессор Паоло Радаэлли, лидер Оксфордской группы, поделился: «Мы черпали вдохновение из знаменитой идеи космологической физики, появившейся почти 50 лет назад, которая предполагала, что фазовый переход в ранней Вселенной во время расширения после Большой взрыв, возможно, привел к образованию космических вихрей. Соответственно, мы исследовали аналогичный магнитный процесс, происходящий в высококачественном оксиде железа, что позволило нам по желанию создать большое семейство антиферромагнитных вихрей."
Следующим шагом команды является создание инновационных схем, которые могут электрически управлять водоворотами.