Революционное открытие в области наномагнетизма
ЦЮРИХ, ШВЕЙЦАРИЯ – В ходе прорыва, который может фундаментально изменить наше понимание магнетизма и его технологических применений, ученые из Цюрихского университета открыли причудливые новые состояния колебаний в крошечных магнитных структурах, часто называемых «скирмионами». Это открытие, достигнутое при чрезвычайно низком энергопотреблении, бросает вызов давним предположениям о магнитной динамике и открывает заманчивый путь к соединению традиционной электроники с будущими квантовыми устройствами.
Опубликованное в конце прошлого месяца в престижном журнале Nature Nanotechnology, исследование подробно описывает, как профессору Ане Шарме и доктору Бену Картеру вместе со своей командой из Института квантовых материалов удалось возбудить тонкие, ранее невидимые движения внутри этих субмикрометровых магнитных полей. водовороты. Результатом стал богатый спектр сложных сигналов, который может открыть эру сверхэффективной обработки и хранения данных.
«То, что мы наблюдали, — это совершенно новая форма магнитного возбуждения, тонкий танец внутри этих крошечных структур, для инициирования которого требуется невероятно мало энергии», — заявил профессор Шарма, ведущий автор исследования. "Это похоже на поиск новой фундаментальной ноты в симфонии, которую, как нам казалось, мы уже полностью поняли. Значение для энергоэффективных вычислений огромно." Впервые экспериментально наблюдавшиеся в 2009 году, они с тех пор стали центром исследований в области спинтроники – области, целью которой является использование внутреннего спина электронов, а не их заряда, для передачи информации. Их стабильность, небольшой размер и простота манипулирования делают их весьма перспективными кандидатами для будущих технологий хранения и обработки данных, потенциально предлагая более высокую плотность и более низкое энергопотребление, чем нынешняя кремниевая электроника.
До сих пор понимание и контроль динамического поведения скирмионов были серьезной проблемой. Для управления ими исследователи обычно полагались на внешние магнитные поля или электрические токи, часто требующие значительной энергии. Общепринятое мнение предполагает ограниченный набор режимов колебаний, которые скирмионы могут проявлять в таких условиях.
«В течение многих лет мы пытались довести скирмионы до их пределов, но всегда в установленных рамках», — объяснил доктор Картер, соавтор статьи. «Этот новый подход, сосредоточив внимание на очень специфических, резонансных магнитных волновых возбуждениях, выявил скрытую сложность, которую мы просто не ожидали».
Открытие «экзотических» состояний колебаний
Инновация команды из Цюриха заключается в их точном методе возбуждения. Вместо грубой силы они использовали тщательно настроенные микроволновые поля, чтобы индуцировать резонансные магнитные волны, известные как магноны, внутри тонкой пленки хирального магнитного материала — синтетического антиферромагнетика, предназначенного для размещения стабильных скирмионов при комнатной температуре. Материал, тщательно разработанный многослойный слой кобальта и палладия, был изготовлен с использованием передовых методов распыления, в результате чего были получены скирмионы диаметром примерно 50 нанометров.
Изменяя частоту и мощность этих микроволновых импульсов, ученые заметили, что скирмионы начали колебаться по ранее нехарактерным закономерностям. Эти «экзотические состояния колебаний» проявлялись как сложные, мультимодальные движения, гораздо более сложные, чем простое дыхание или режимы вращения, обычно связанные со скирмионами. Важно отметить, что эти сложные состояния были достигнуты с уровнями мощности на несколько порядков ниже, чем у традиционных методов, что продемонстрировало беспрецедентный уровень энергоэффективности.
Исследователи использовали передовые методы микроскопии, в том числе рентгеновскую микроскопию с временным разрешением на синхротронной установке, чтобы напрямую визуализировать эти сложные колебания. Данные выявили богатый спектр резонансных частот, каждая из которых соответствует отдельному и сложному внутреннему движению спиновой текстуры скирмиона, бросая вызов преобладающим теоретическим моделям.
Прокладывая путь к технологиям следующего поколения
Последствия этого открытия имеют далеко идущие последствия. Способность генерировать разнообразный диапазон магнитных состояний с минимальной энергией может изменить правила игры для нескольких новых технологий:
- Энергоэффективная спинтроника: Будущие устройства смогут кодировать больше информации в каждый скирмион, используя эти многочисленные состояния колебаний, что приведет к более плотному и значительно более энергоэффективному хранению и обработке данных.
- Интерфейсы квантовых вычислений: Тонкая, квантовоподобная природа этих новых состояний предполагает потенциальный мост между классическими магнитными системами и квантовыми технологиями. Манипулирование этими состояниями может предложить новые способы контроля квантовой информации.
- Новые датчики: Высокая чувствительность динамики скирмионов к внешним стимулам может привести к разработке сверхчувствительных датчиков или детекторов магнитного поля.
«Мы только начинаем понимать весь потенциал этих экзотических состояний», — заключил профессор Шарма. "Но тот факт, что мы можем получить доступ к такому богатому динамическому ландшафту с таким небольшим количеством энергии, указывает на будущее, где вычисления будут не только быстрее и плотнее, но и значительно более устойчивыми. Этот небольшой эффект действительно имеет потенциально огромные последствия для следующего поколения электроники". Команда планирует продолжить изучение согласованности и стабильности этих состояний, стремясь в ближайшие годы интегрировать их в прототипы устройств спинтроники.
