Автор AZoNano 5 февраля 2021 г.

В современном цифровом мире каждую секунду генерируются огромные объемы данных. Следовательно, существует потребность в микросхемах памяти, которые могут хранить больше данных в меньшем пространстве, а также иметь возможность читать и записывать эти данные быстрее при меньшем потреблении энергии.

Исследователи из Национального университета Сингапура (NUS) в сотрудничестве с сотрудниками из Оксфордского университета, Diamond Light Source (национального центра синхротронных исследований Соединенного Королевства) и Университета Висконсина в Мэдисоне разработали ультратонкий материал с уникальные свойства, которые могут в конечном итоге достичь некоторых из этих целей. Их результаты были впервые опубликованы в Интернете в журнале Nature 4 февраля 2021 года.

Хранение данных в антиферромагнетиках

В существующих устройствах памяти на ферромагнетиках, таких как жесткие диски, информация хранится в виде определенных структур атомов (называемых битами), внутри которых все маленькие магнитные полюса ориентированы в одном направлении. Такое расположение делает их медленными и чувствительными к повреждению паразитными магнитными полями. Напротив, особый класс материалов, называемых антиферромагнетиками, состоящий из магнитных полюсов на соседних атомах, выровненных противоположно, становится важным для технологий памяти будущего.

В частности, существует большой интерес к созданию специальных магнитных наноструктур в антиферромагнетиках, которые имеют форму вихрей или вихрей. По сути, каждый узор состоит из множества маленьких магнитных полюсов, намотанных вокруг центральной области сердечника по часовой стрелке или против часовой стрелки, что очень похоже на воздух, циркулирующий внутри торнадо или вихря. При экспериментальной реализации комбинации этих антиферромагнитных вихрей были бы весьма полезны, поскольку они являются очень стабильными структурами и потенциально могут перемещаться по магнитным «беговым дорожкам» со скоростью вихрей в несколько километров в секунду!

Они могут действовать как новые типы информационных битов, которые не только хранят память, но и участвуют в вычислительных операциях. Следовательно, они позволят создать новое поколение микросхем, которые будут значительно быстрее, но более энергоэффективны, чем современные устройства.

Экспериментальное открытие вихрей

На сегодняшний день создание и изменение рисунков в антиферромагнитных материалах было очень сложной задачей, поскольку издалека они кажутся почти немагнитными. " Стандартные подходы к управлению, такие как использование внешних полей, не работают с этими материалами. Поэтому, чтобы реализовать эти неуловимые антиферромагнитные водовороты, мы придумали новую стратегию, сочетающую синтез высококачественной пленки с технологией материалов , фазовые переходы из физики и топологии из математики », объяснил доктор Хариом Яни, ведущий автор статьи и научный сотрудник физического факультета NUS.

Чтобы вырастить эти материалы, исследователи направили лазер на чрезвычайно распространенный и дешевый материал – оксид железа, который является основным компонентом ржавчины. Используя ультракороткие импульсы лазера, они создали горячий пар из атомных частиц, который сформировал тонкую пленку оксида железа на поверхности.

Профессор Тирумалай Венки Венкатесан, который возглавлял группу NUS и изобрел процесс импульсного лазерного осаждения для изготовления тонкой пленки, подчеркнул универсальность подхода группы. «Процесс осаждения позволяет точно контролировать атомный уровень во время роста, что важно для изготовления высококачественных материалов. Наша работа указывает на большой класс систем антиферромагнитных материалов, содержащих фазовые переходы, в которых можно изучать формирование и управление этими водоворотами для возможных технологических применений, », – сказал он.

Объясняя лежащий в основе механизм, профессор Паоло Радаэлли, лидер Оксфордской группы, поделился: «Мы черпали вдохновение из знаменитой идеи космологической физики, появившейся почти 50 лет назад, которая предположила, что фазовый переход в начале Вселенная во время расширения после Большого взрыва могла привести к образованию космических вихрей. Соответственно, мы исследовали аналогичный магнитный процесс, происходящий в высококачественном оксиде железа, который позволил нам по желанию создать большое семейство анти- ферромагнитные вихри ".

Следующий шаг команды – создание инновационных схем, которые могут электрически управлять водоворотами.

Источник: https://nus.edu.sg/