Ученые представили миру новую форму магнетизма, которая в будущем может стать основой для создания более быстрых, компактных и энергоэффективных запоминающих устройств на основе спинтроники.
В ходе своего нового исследования специалисты Массачусетского технологического института впервые обнаружили так называемый «p-волновой магнетизм» в кристаллическом материале — йодиде никеля (NiI₂), синтезированном учеными в лабораторных условиях. Этот тип магнетизма представляет собой гибрид двух известных ранее форм — ферро- и антиферромагнетизма. В ферромагнетиках, к которым относятся обычные магниты, электроны имеют одинаковую ориентацию спина, создавая тем самым макроскопическое магнитное поле. В антиферромагнетиках спины соседних атомов направлены противоположно и компенсируют друг друга, в результате чего внешне магнитные свойства у таких материалов отсутствуют.
Новая структура в NiI₂ представляет собой нечто иное: хотя электронные спины также направлены в разные стороны и в сумме дают нулевое макромагнитное поле, сами спины образуют левосторонние и правосторонние спирали. Эта особенность дает ученым уникальную возможность переключения спинового состояния при помощи внешнего электрического поля. Как показали опыты, направление спирали можно изменить, просто подав на материал напряжение определенной полярности, — и левосторонняя конфигурация превращается в правостороннюю, и наоборот.
Именно способность управлять направлением спинов лежит в основе спинтроники — направления, которое рассматривает спин электрона как носитель информации. В отличие от классической электроники, где данные записываются за счет перемещения электрических зарядов, спинтроника позволяет манипулировать данными, лишь изменяя направление спина. Это значительно сокращает энергозатраты, уменьшает тепловыделение и открывает путь к созданию энергонезависимых и сверхкомпактных устройств хранения данных.
Команда ученых во главе с Цянем Суном добилась прямого экспериментального подтверждения существования p-волнового магнетизма, направив на кристаллы йодида никеля циркулярно поляризованный свет. Как оказалось, свет с заданной поляризацией возбуждает электроны, спины которых выстраиваются в направлении, совпадающем с направлением вращения спиновой спирали. Это стало однозначным доказательством того, что в материале возникает особое состояние, где направление спина строго связано с геометрией спирали.
Более того, применяя электрическое поле, физики смогли инициировать ток из электронов с одинаковым направлением спина — так называемый «спиновый ток». В перспективе это позволит создавать устройства, где можно управлять магнитными доменами без необходимости перемещения зарядов, тем самым повышая эффективность и снижая тепловые потери.
Однако пока эффект p-волнового магнетизма наблюдается только при сверхнизких температурах — около 60 кельвинов, что ниже температуры кипения жидкого азота. Ученые признают, что для практического применения необходимо найти материалы, которые будут проявлять аналогичные свойства при комнатной температуре. Тем не менее, сам факт того, что существует магнетизм, управляемый электричеством, уже является серьезным шагом вперед, и этот шаг может кардинально изменить будущее компьютерных технологий.
Ранее международной команде ученых удалось создать не одного, а целую систему из миниатюрных роботов, которые, находясь вместе, начинают вести себя не как отдельные устройства, а как единый материал благодаря встроенным магнитам.
Источник