Ученые разработали метод управления магнитными характеристиками материалов с использованием лазера при комнатной температуре.
Короткий лазерный импульс переводит вещество в уникальное «скрытое» состояние, что позволяет мгновенно изменять направления магнитных моментов. Это открывает новые перспективы для разработки сверхбыстрых систем хранения и обработки данных следующего поколения, таких как высокоскоростные жесткие диски для компьютеров.
Как функционируют магнитные носители информации
Исследователи приблизились к созданию устройств для хранения данных, работающих по новым принципам. Специалисты из Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН вместе с коллегами предложили изменять магнитное состояние специального вещества – антиферромагнетика – при комнатной температуре, воздействуя на него лазером. Ранее подобные методы управления антиферромагнетиками в основном применялись при крайне низких температурах – от -196 до -269 градусов, что не подходит для реальных устройств.
Как уточнили ученые, чтобы использовать магнитные материалы в качестве носителей информации, например, для записи «0» или «1» на жестком диске, необходимо уметь переключать направления магнитных моментов – микроскопических «магнитных стрелок». Ключевым моментом является то, что магнитные моменты должны быть строго упорядочены (все направлены в одну сторону), ведь только в этом случае материал создает четкий и стабильный магнитный сигнал, необходимый для записи и извлечения информации.
Справка
В современных технологиях магнитной памяти применяются так называемые ферромагнетики, к которым относятся железо, кобальт и никель. Магнитные моменты атомов в этих материалах выстраиваются в одном направлении параллельно друг другу. Внешнее магнитное поле может изменять их направление, однако сделать это быстро не всегда удается, что ограничивает возможности развития таких устройств. Антиферромагнетики, другой класс материалов, могут стать более быстрой альтернативой, так как магнитные моменты соседних атомов ориентированы в противоположные стороны. Тем не менее, до сих пор продолжаются поиски эффективных способов переключения магнитных состояний антиферромагнетиков при комнатной температуре.
Исследователи провели эксперименты с боратом железа – материалом на основе железа, бора и кислорода. У этого антиферромагнетика имеется две группы магнитных моментов, направленных противоположно друг другу и немного скошенных (не строго параллельных). Интересно, что при нагреве до +140 градусов магнитные моменты в этом материале резко поворачиваются на 90 градусов (происходит магнитный фазовый переход), что можно сравнить с превращением льда в воду, но гораздо быстрее.
Физики воздействовали на материал короткими лазерными импульсами и выяснили, что в таких условиях направление магнитных моментов резко меняется. При этом впервые было установлено, что данный процесс происходит через промежуточное «скрытое» состояние, которое невозможно наблюдать при обычных условиях.
— Нам удалось впервые быстро переключить магнитное состояние антиферромагнетика лазером при температуре, немного превышающей комнатную, — сообщила участник проекта, младший научный сотрудник лаборатории физики ферроиков ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН Анна Кузикова.
Сверхбыстрые жесткие диски
«Скрытое» состояние существует всего миллионные доли микросекунды, после чего из-за лазерного нагрева магнитные моменты атомов окончательно поворачиваются на 90 градусов, т.е. магнитное состояние материала переключается. Несмотря на короткое время существования, «скрытое» состояние оказывается критически важным для скорости переключения и его полноты.
— Результаты показывают, что короткие лазерные импульсы способны изменять магнитное состояние быстрее и более элегантно, чем магнитное поле или электрический ток. Их использование открывает возможности для создания энергоэффективных и высокоскоростных элементов памяти и логики, — отметила Анна Кузикова.
Эта методика может быть применена для разработки элементов магнитной памяти и логических схем нового типа, а также спинтронных устройств, в которых информация кодируется магнитным состоянием электронов, изменяемым оптическим импульсом, сообщил доцент кафедры технологии материалов электроники НИТУ МИСИС Андрей Миронович.
— Речь идет о сверхбыстрых устройствах магнитной записи, включая перспективные версии жестких дисков и MRAM (устройства с произвольным доступом на основе спиновых вентилей). Переключение состояния в них может происходить за ультракороткое время без потери стабильности данных, — добавил он.
Новый метод обеспечивает высокую скорость переключения и снижает энергозатраты благодаря лазерному управлению. Кроме того, такие устройства потенциально будут меньше нагреваться в процессе работы, отметил ученый.
Фото: Александра КалашниковаСхема обычного переключения магнитных моментов бората железа при нагреве и переключения, происходящего под действием лазера.
— Специалисты продемонстрировали новый физический эффект, благодаря которому происходит изменение направления намагниченности. В целом изучение перемагничивания материалов актуально для разработки устройств записи и хранения информации с более высоким быстродействием. Метод оптического перемагничивания с использованием лазера позволяет достичь такого эффекта, — прокомментировал профессор кафедры физической электроники и технологии (ФЭТ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Алексей Устинов. Обнаруженный механизм применим в логических технологиях и нейроморфных вычислениях. Основным преимуществом этого метода является возможность управления через «скрытую фазу», добавил главный научный сотрудник и заведующий лабораторией физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий, профессор кафедры Российского квантового центра Александр Чернов. Исследование демонстрирует, что лазерный импульс создает кратковременное «скрытое» состояние вещества, недоступное в обычных равновесных условиях.
— Регулируя мощность лазера (флюенс), исследователи могут динамически управлять сосуществованием различных магнитных фаз. Эта способность стабилизировать и настраивать сосуществование фаз является функциональным требованием для нейроморфных вычислений, обеспечивая уровень контроля, недостижимый стандартными тепловыми методами, — отметил эксперт.
В работе принимали участие ученые из Научно-практического центра НАН Белоруссии по материаловедению (Минск) и Саратовского государственного университета им. Н. В. Чернышевского (Саратов).
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Фото: hi-tech.mail.ru