Они ускоряют данные в сотни раз — и их только что приручили. Встречайте: антиферромагнетики
NewsMakerУчёные научились управлять тем, что раньше игнорировало нас.
Прорыв в спинтронике: учёные «подсветили» невидимые магниты На протяжении десятилетий всё, что связано с хранением и обработкой данных, строилось на ферромагнитных материалах. Именно они лежат в основе работы жёстких дисков, MRAM-памяти, генераторов частоты и других устройств. Но в арсенале физиков давно существует другой класс — антиферромагнетики, у которых потенциал куда более амбициозный. В отличие от своих ферромагнитных собратьев, эти материалы способны передавать информацию в сотни раз быстрее и работать на недосягаемых для классических устройств частотах. Проблема лишь в том, что природа этих материалов оставалась почти неуправляемой и, главное, слабо наблюдаемой.
Теперь ситуация начинает меняться. В журнале Science опубликована статья, в которой международная группа физиков представила результат, способный сдвинуть область спинтроники в совершенно новое русло. Исследователям удалось не только зафиксировать поведение спинов в антиферромагнетиках, но и добиться контролируемости этого процесса с помощью особых туннельных структур на основе двумерных материалов. Иными словами, они разработали технологию, способную «подсветить» поведение частиц, которые до сих пор буквально ускользали от наблюдения.
Физика ферро- и антиферромагнетиков начинается с представления о спинах — квантовых свойствах частиц, которые можно условно воспринимать как крошечные магнитики. В ферромагнитных материалах все спины выстраиваются в одном направлении, создавая заметное внешнее магнитное поле. У антиферромагнетиков всё иначе: спины соседних атомов направлены в противоположные стороны и в сумме гасят друг друга. Именно из-за этого такие материалы кажутся «невидимыми» снаружи и не поддаются классическим методам детектирования.
До недавнего времени попытки наблюдать за динамикой спинов в таких системах ограничивались массивными образцами — в масштабе миллиметров, а то и больше. Это абсолютно не пригодно для устройств, работающих в микромире. Именно поэтому шаг, сделанный командой из Корнеллского университета и их коллег из Японии и Колумбии, оказался настолько значимым: они сконструировали микроскопические приборы, способные фиксировать спиновую активность на площади в тысячу раз меньшей, чем всё, что делалось ранее.
В основе метода лежит квантовый эффект туннелирования — явление, при котором электрон способен «просачиваться» сквозь потенциальный барьер, который с точки зрения классической физики он преодолеть не должен. Это не движение как таковое, а скорее проникновение волновой функции электрона через границу. Именно это тонкое поведение и было использовано как способ прочитать, что происходит со спинами внутри антиферромагнитного слоя.
Когда в структуре на основе туннельного перехода происходят колебания спинов, это напрямую влияет на сопротивление, испытываемое электронами. Таким образом, любое изменение в ориентации спинов отображается в электрическом сигнале, который можно зафиксировать. Получившийся способ детектирования оказался чрезвычайно быстрым — он работает на частотах, недоступных большинству существующих технологий.
Одна из причин, по которой метод оказался успешным, — это объединение достижений двух развивающихся направлений: физики двумерных материалов и спинтроники. Ключевой элемент структуры — тончайшие слои антиферромагнитного материала, с которыми можно работать как с полноценными квантовыми системами . Благодаря их малой толщине и особой геометрии стало возможным применять точечные токи, способные влиять на внутренние свойства вещества.
Для управления спинами учёные применили механизм, известный как спин-орбитальный крутящий момент. Проще говоря, они пускали через систему электрический ток, который создаёт поток спинов. Этот поток в свою очередь оказывает воздействие на магнитную систему материала, вызывая вращение спинов в нужном направлении.
Однако, чтобы взаимодействовать с отдельными слоями внутри двумерного материала, недостаточно было просто подавать ток. Исследователи столкнулись с тем, что не удаётся отличить, какой из слоёв откликается на сигнал. Решение оказалось неожиданным: они предложили скрутить структуру — буквально изменить ориентацию слоёв относительно друг друга. Это нарушило симметрию системы и позволило избирательно воздействовать на один слой, не затрагивая другой.
Подобная «геометрическая настройка» открыла путь к точечному управлению спиновой динамикой — важнейшему условию для создания наноразмерных генераторов высоких частот. Такие устройства потенциально могут стать основой для сверхбыстрых коммуникационных систем и электроники нового поколения , где скорости обработки сигналов выходят далеко за пределы гигагерцового диапазона.
Работа, как подчёркивают сами авторы, открывает дорогу к проектированию новых типов спинтронных устройств. Особенно перспективным выглядит создание наноосцилляторов, которые смогут работать на ультравысоких частотах. Эти устройства могли бы стать функциональными элементами в телекоммуникации, радиочастотной электронике и квантовой технике .
В проекте приняли участие исследователи из нескольких стран. Среди них — Кенджи Ватанабэ и Такаши Танигути из Японского национального института материаловедения, учёные из Колумбийского университета, а также докторанты и молодые профессора из Корнелла и Университета Южной Калифорнии. Их совместная работа демонстрирует, как пересечение фундаментальной физики и инженерного мышления приводит к практическим шагам в сторону технологий будущего.
Хотя путь к коммерческому применению антиферромагнетиков всё ещё далёк, физики уверены: контроль над спинами, ранее считавшийся невозможным, теперь стал доступной задачей. Осталось расширить масштаб и найти способы интеграции таких структур в действующие схемы.
Теперь ситуация начинает меняться. В журнале Science опубликована статья, в которой международная группа физиков представила результат, способный сдвинуть область спинтроники в совершенно новое русло. Исследователям удалось не только зафиксировать поведение спинов в антиферромагнетиках, но и добиться контролируемости этого процесса с помощью особых туннельных структур на основе двумерных материалов. Иными словами, они разработали технологию, способную «подсветить» поведение частиц, которые до сих пор буквально ускользали от наблюдения.
Физика ферро- и антиферромагнетиков начинается с представления о спинах — квантовых свойствах частиц, которые можно условно воспринимать как крошечные магнитики. В ферромагнитных материалах все спины выстраиваются в одном направлении, создавая заметное внешнее магнитное поле. У антиферромагнетиков всё иначе: спины соседних атомов направлены в противоположные стороны и в сумме гасят друг друга. Именно из-за этого такие материалы кажутся «невидимыми» снаружи и не поддаются классическим методам детектирования.
До недавнего времени попытки наблюдать за динамикой спинов в таких системах ограничивались массивными образцами — в масштабе миллиметров, а то и больше. Это абсолютно не пригодно для устройств, работающих в микромире. Именно поэтому шаг, сделанный командой из Корнеллского университета и их коллег из Японии и Колумбии, оказался настолько значимым: они сконструировали микроскопические приборы, способные фиксировать спиновую активность на площади в тысячу раз меньшей, чем всё, что делалось ранее.
В основе метода лежит квантовый эффект туннелирования — явление, при котором электрон способен «просачиваться» сквозь потенциальный барьер, который с точки зрения классической физики он преодолеть не должен. Это не движение как таковое, а скорее проникновение волновой функции электрона через границу. Именно это тонкое поведение и было использовано как способ прочитать, что происходит со спинами внутри антиферромагнитного слоя.
Когда в структуре на основе туннельного перехода происходят колебания спинов, это напрямую влияет на сопротивление, испытываемое электронами. Таким образом, любое изменение в ориентации спинов отображается в электрическом сигнале, который можно зафиксировать. Получившийся способ детектирования оказался чрезвычайно быстрым — он работает на частотах, недоступных большинству существующих технологий.
Одна из причин, по которой метод оказался успешным, — это объединение достижений двух развивающихся направлений: физики двумерных материалов и спинтроники. Ключевой элемент структуры — тончайшие слои антиферромагнитного материала, с которыми можно работать как с полноценными квантовыми системами . Благодаря их малой толщине и особой геометрии стало возможным применять точечные токи, способные влиять на внутренние свойства вещества.
Для управления спинами учёные применили механизм, известный как спин-орбитальный крутящий момент. Проще говоря, они пускали через систему электрический ток, который создаёт поток спинов. Этот поток в свою очередь оказывает воздействие на магнитную систему материала, вызывая вращение спинов в нужном направлении.
Однако, чтобы взаимодействовать с отдельными слоями внутри двумерного материала, недостаточно было просто подавать ток. Исследователи столкнулись с тем, что не удаётся отличить, какой из слоёв откликается на сигнал. Решение оказалось неожиданным: они предложили скрутить структуру — буквально изменить ориентацию слоёв относительно друг друга. Это нарушило симметрию системы и позволило избирательно воздействовать на один слой, не затрагивая другой.
Подобная «геометрическая настройка» открыла путь к точечному управлению спиновой динамикой — важнейшему условию для создания наноразмерных генераторов высоких частот. Такие устройства потенциально могут стать основой для сверхбыстрых коммуникационных систем и электроники нового поколения , где скорости обработки сигналов выходят далеко за пределы гигагерцового диапазона.
Работа, как подчёркивают сами авторы, открывает дорогу к проектированию новых типов спинтронных устройств. Особенно перспективным выглядит создание наноосцилляторов, которые смогут работать на ультравысоких частотах. Эти устройства могли бы стать функциональными элементами в телекоммуникации, радиочастотной электронике и квантовой технике .
В проекте приняли участие исследователи из нескольких стран. Среди них — Кенджи Ватанабэ и Такаши Танигути из Японского национального института материаловедения, учёные из Колумбийского университета, а также докторанты и молодые профессора из Корнелла и Университета Южной Калифорнии. Их совместная работа демонстрирует, как пересечение фундаментальной физики и инженерного мышления приводит к практическим шагам в сторону технологий будущего.
Хотя путь к коммерческому применению антиферромагнетиков всё ещё далёк, физики уверены: контроль над спинами, ранее считавшийся невозможным, теперь стал доступной задачей. Осталось расширить масштаб и найти способы интеграции таких структур в действующие схемы.