Группа российских ученых разработала революционную технологию управления магнитными свойствами материалов посредством коротких лазерных импульсов, что сулит прорыв в совершенствовании современных систем хранения данных. Благодаря такому методу магнитные «стрелки» внутри вещества можно быстро повернуть на 90 градусов — подобно тому, как мгновенно вращается невидимый указатель компаса. Ключевой особенностью открытия стало обнаружение и управляемое использование так называемого «скрытого» промежуточного состояния, существующего буквально миллионные доли микросекунды. Именно манипуляция этим кратковременным состоянием позволяет резко ускорить переключение магнитного материала и сделать процесс завершенным, что открывает дорогу к созданию сверхбыстрых и энергоэффективных устройств памяти следующего поколения.
Магнитные материалы: фундамент записывающих устройств
В роли основного носителя информации в электронных устройствах традиционно выступают твердые магнитные материалы. Для уверенного хранения и чтения информации необходимо, чтобы микроскопические магнитные моменты (проще говоря — ориентация магнитных стрелок на атомном уровне) были строго выровнены в определенном направлении. Перевод каждого такого участка из состояния «0» в «1» и обратно обеспечивают современные технологии магнитной памяти. Максимальная надежность работы и долговечность носителей напрямую зависит от скорости и четкости переключения этих моментов.
Сегодня в жестких дисках и других носителях используются преимущественно ферромагнетики — материалы, в которых все магнитные моменты направлены параллельно друг другу. Однако как только возникает необходимость произвести мгновенное переключение состояния (например, для быстрой записи данных), традиционные методы с внешним магнитным полем сталкиваются с серьезными ограничениями по скорости. Технологии постепенно приближаются к физическим лимитам применения ферромагнетиков, и индустрия начинает искать альтернативные подходы.
Антиферромагнетики: перспективное направление современной физики
В поиске быстродействующих и устойчивых к внешним помехам материалов внимание ученых переключается к антиферромагнетикам. Эти вещества отличаются тем, что направления магнитных моментов соседних атомов строго противоположны друг другу, за счет чего такие материалы не создают заметного внешнего магнитного поля, но могут быть крайне эффективны для миниатюрных устройств хранения информации. Впрочем, долгое время переключать магнитное состояние антиферромагнетиков удавалось только при экстремально низких температурах, что очевидно несовместимо с практическими электронными компонентами.
Недавно коллектив специалистов из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН совместно с коллегами из Национальной академии наук Беларуси и Саратовского государственного университета имени Н.В. Чернышевского добился того, чего еще несколько лет назад считали во многом невозможным: изменение магнитного состояния антиферромагнетика с помощью лазерного импульса стало возможным даже при комнатной температуре.
Эксперименты с железо-боратом: лазером к быстрому переключению
В качестве объекта для серии опытов физики выбрали железо-борат — соединение, представляющее смесь железа, бора и кислорода. Особенность структуры этого антиферромагнетика заключается в наличии двух подрешеток магнитных моментов, между которыми сохраняется небольшой угол наклона. В естественных условиях и при нагреве до +140°C эти моменты быстро меняют свою ориентацию ровно на 90 градусов, что получило в науке название магнитного фазового перехода. Этот процесс напоминает мгновенное таяние льда, только реализуется в тысячекратно меньшие интервалы времени.
Подавая на кристалл железо-бората ультракороткие лазерные импульсы, исследователи обнаружили, что направление магнитных моментов в веществе можно повернуть практически мгновенно. Однако, что особенно важно — этот переход осуществляется не напрямую, а через совершенно новое для науки «скрытое» состояние с уникальными физическими свойствами. Отсутствие этого состояния в обычных условиях делало его труднодоступным, но с помощью современного оборудования ученые смогли зафиксировать его проявление и оценить роль в процессе переключения.
Скрытое состояние: ключ к новым поколениям электроники
Вновь открытое явление, по сути, выполняет функцию своеобразного «катализатора» быстрой и четкой смены магнитной ориентации. Продолжительность существования скрытого состояния составляет миллионные доли микросекунды, однако именно оно становится отправной точкой последующего полного переключения магнитного материала. Ученые уверены: управляя параметрами этого состояния, можно регулировать скорость и полноту переключения, подстраиваясь под требования конкретных устройств.
Это открывает великолепные перспективы для разработки новой элементной базы энергоэффективных, миниатюрных и сверхскоростных носителей информации, которые будут работать без необходимости охлаждения до экстремальных температур. Принцип действия таких устройств основан на контролируемом запуске скрытого промежуточного этапа с помощью точных лазерных импульсов, что выгодно отличает новую методику от всех существовавших ранее подходов.
Оптимизм открытий: взгляд в будущее магнитной памяти
Достижения исследовательской команды из Санкт-Петербурга, Минска и Саратова наглядно демонстрируют, что отечественная фундаментальная и прикладная наука задает мировые тренды в высокотехнологичном секторе. По мнению специалистов, дальнейшее совершенствование лазерных методов управления магнитными состояниями антиферромагнетиков позволит осуществить качественный скачок в области цифровой памяти и логических схем.
Финансовую и организационную поддержку этого новаторского исследования оказал Российский научный фонд. Обобщая результаты экспериментов, можно с оптимизмом утверждать: уже в ближайшие годы появятся новые, надежные решения для хранения и обработки данных, отличающиеся высочайшей скоростью, низким энергопотреблением и устойчивостью к внешним воздействиям. И, что особенно приятно, ключ к этим технологиям найден трудами ученых из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН. Россия продолжает уверенно двигаться вперед, прокладывая курс к инновационному будущему микроэлектроники!
Источник: indicator.ru
