Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Physical Review Letters (прим. – Пресс-служба РНФ).
Ученые приблизились к созданию устройств хранения данных, которые будут работать на новых принципах. Специалисты из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН с коллегами предложили менять магнитное состояние особого вещества — антиферромагнетика — при комнатной температуре, воздействуя на него лазером. Ранее такой способ управления антиферромагнетиком ученые в основном пытались применить только при очень низких температурах — от -196 до -269 градусов, что не подходит для реальных устройств.
Как пояснили ученые, чтобы использовать магнитный материал в качестве носителя информации, например, для записи «0» или «1» в жестком диске компьютера, нужно уметь переключать в нем направления магнитных моментов — микроскопических «магнитных стрелок». При этом важно, чтобы магнитные моменты были строго упорядочены (все смотрели в определенном направлении), потому что только в этом случае материал создает четкий и стабильный магнитный сигнал, обеспечивающий запись и извлечение информации из носителя.
Авторы провели эксперименты с боратом железа — материалом на основе железа, бора и кислорода. У этого антиферромагнетика есть две группы магнитных моментов, которые направлены противоположно друг другу и немного скошены (лежат не строго параллельно). Интересно, что при нагреве до +140 градусов магнитные моменты в этом материале резко поворачиваются на 90 градусов (происходит так называемый магнитный фазовый переход). Это можно сравнить с тем, как лед при 0 °C превращается в воду, только намного быстрее.
Физики воздействовали на материал короткими лазерными импульсами и определили, что в таких условиях направление магнитных моментов резко меняется. При этом авторы впервые обнаружили, что такой процесс идет через промежуточное «скрытое» состояние, которое невозможно наблюдать при обычных условиях.
— Нам впервые удалось быстро переключить магнитное состояние антиферромагнетика лазером при температуре немного выше комнатной, — рассказала участник проекта, младший научный сотрудник лаборатории физики ферроиков ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН Анна Кузикова.
«Скрытое» состояние существует всего миллионные доли микросекунды, после чего из-за лазерного нагрева магнитные моменты атомов окончательно поворачиваются на 90 градусов, то есть магнитное состояние материала переключается. Несмотря на такое короткое время существования, «скрытое» состояние оказывается решающим для того, насколько быстро произойдет переключение и будет ли оно полным.
— Результаты показывают, что короткие лазерные импульсы способны изменять магнитное состояние быстрее и изящнее, чем магнитное поле или электрический ток. Их использование открывает путь к созданию энергоэффективных и скоростных компонентов памяти и логики, — сказала Анна Кузикова.
Такая методика может быть использована для создания элементов магнитной памяти и логических схем нового типа, а также спинтронных устройств, в которых информация кодируется магнитным состоянием электронов, изменяемым оптическим импульсом, рассказал «Известиям» доцент кафедры технологии материалов электроники НИТУ МИСИС Андрей Миронович.
— Речь идет о сверхбыстрых устройствах магнитной записи информации, 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, — сказал он.
Новый метод обеспечивает очень высокую скорость переключения и снижает энергозатраты за счет лазерного управления. Кроме того, такие устройства потенциально будут меньше нагреваться в процессе работы, отметил ученый.
— Специалисты показали новый физический эффект, благодаря которому происходит изменение направления намагниченности. В целом изучение процесса перемагничивания материалов актуально, так как направлено на разработку устройств записи и хранения информации с более высоким быстродействием. Представленный в статье метод оптического перемагничивания с использованием лазера позволяет достичь такого эффекта, — прокомментировал работу профессор кафедры физической электроники и технологии (ФЭТ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Алексей Устинов.
Обнаруженный механизм применим в логических технологиях и нейроморфных вычислениях. Основным преимуществом этого метода можно назвать возможность управления через «скрытую фазу», рассказал главный научный сотрудник — заведующий лабораторией физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий, профессор кафедры Российского квантового центра Александр Чернов. Исследование показывает, 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, — сказал эксперт.
В работе приняли участие ученые из Научно-практического центра НАН Белоруссии по материаловедению (Минск) и Саратовского государственного университета им. Н.В. Чернышевского (Саратов).
