Группа исследователей под руководством Рё Симано из Токийского университета непосредственно наблюдала, как происходит переключение спинов электронов внутри антиферромагнетика — материала, в котором противоположные спины взаимно компенсируются. Зафиксировав этот процесс в действии, исследователи выявили два отдельных механизма переключения. Один из них указывает на практический путь к созданию сверхбыстрых энергонезависимых магнитных запоминающих устройств и логических схем, которые могли бы превзойти современные технологии. Результаты были опубликованы в журнале Nature Materials.
От перфокарт и металлических стержней до вакуумных ламп и транзисторов, современные вычисления всегда опирались на физические системы для представления нулей и единиц. Поскольку спрос на вычислительную мощность продолжает расти, исследователи ищут более быстрые и эффективные альтернативы. Антиферромагнетики предлагают многообещающий вариант. Хотя они кажутся магнитно нейтральными, поскольку их спины уравновешиваются, их внутренняя магнитная структура все же может быть использована для хранения цифровой информации новыми способами.
«В течение многих лет, — говорит Шимано, — ученые полагали, что антиферромагнетики, такие как Mn3Sn (марганец-олово), могут чрезвычайно быстро переключать свою намагниченность. Однако оставалось неясным, может ли это энергонезависимое переключение завершиться за несколько десятков пикосекунд или как на самом деле изменяется намагниченность в процессе переключения».
Тепло или ток? Разгадка тайны переключения.
Ключевой вопрос заключался в том, что именно вызывает изменение направления спина. Электрический ток напрямую меняет направление спина, или же это происходит из-за тепла, выделяемого током?
Чтобы это выяснить, команда разработала эксперимент для наблюдения за процессом в реальном времени. Они изготовили тонкую пленку Mn3Sn и пропускали через нее короткие электрические импульсы. Одновременно они освещали образец точно синхронизированными сверхбыстрыми вспышками света, регулируя задержку между импульсом тока и импульсом света. Такой подход позволил им собрать последовательность с временным разрешением, показывающую, как изменялась намагниченность в каждый момент времени.
«Самой сложной частью проекта, — вспоминает Шимано, — было измерение мельчайших изменений магнитооптического сигнала. Однако мы были удивлены, насколько четко нам наконец удалось наблюдать процесс переключения, как только мы разработали правильный метод».
Выявлены два различных механизма переключения спина.
В результате эксперимента было получено нечто беспрецедентное: покадровое отображение изменений магнитного поля во время переключения. Изображения показали, что поведение зависит от силы приложенного тока.
При сильном токе переключение происходило за счет теплового воздействия. Однако при более слабом токе спины переворачивались практически без нагрева. Этот второй механизм особенно важен, поскольку он предлагает способ быстрого и эффективного управления магнитными состояниями без потерь энергии в виде тепла.
Этот механизм переключения, не требующий нагрева, может послужить основой для спинтронных устройств следующего поколения, используемых в вычислительной технике, связи и передовой электронике. Для компании Shimano эти результаты указывают на новые научные горизонты, которые еще предстоит исследовать.
Расширение границ возможностей пикосекундного переключения
«На данный момент самое быстрое времяразрешенного наблюдения электрического переключения в Mn₃Sn составляет 140 пикосекунд, что в основном ограничено длиной импульсов тока, которые могут быть сгенерированы в нашей установке. Однако наши результаты показывают, что сам материал может переключаться еще быстрее при соответствующих условиях. В будущем мы планируем исследовать эти предельные значения, создавая еще более короткие импульсы тока и оптимизируя структуру устройства».
Хотя текущие измерения ограничены 140 пикосекундами, истинный предел скорости этого материала может быть еще короче. Усовершенствуя свои экспериментальные инструменты и конструкцию устройств, исследователи надеются выяснить, насколько быстрым может быть переключение спинов антиферромагнитных материалов.
Источник: www.sciencedaily.com
