1772654587
2026-03-04 19:46:00
Команда под руководством Рё Симано из Токийского университета непосредственно наблюдала, как спины электронов переворачиваются внутри антиферромагнетика — материала, в котором противоположные спины нейтрализуют друг друга. Увидев этот процесс в действии, исследователи выявили два отдельных механизма переключения. Один из них описывает практический путь к созданию сверхбыстрой, энергонезависимой магнитной памяти и логических устройств, которые могли бы превзойти современные технологии. Результаты были опубликованы в Природные материалы.
От перфобумажных карт и металлических стержней до электронных ламп и транзисторов, современные компьютеры всегда полагались на физические системы для представления нулей и единиц. Поскольку спрос на вычислительную мощность продолжает расти, исследователи ищут более быстрые и эффективные альтернативы. Антиферромагнетики предлагают многообещающий вариант. Хотя они кажутся магнитно нейтральными, поскольку их спины уравновешены, их внутреннюю магнитную структуру все же можно использовать для хранения цифровой информации новыми способами.
«В течение многих лет, — говорит Шимано, — ученые считали, что антиферромагнетики, такие как Mn3Sn (марганец-три-олово), могут переключать намагниченность очень быстро. Однако было неясно, может ли это энергонезависимое переключение произойти в течение нескольких или нескольких десятков пикосекунд или как намагниченность действительно меняется в процессе переключения».
Тепло или ток? Разгадка тайны переключения
Центральный вопрос заключался в том, что на самом деле движет изменением направления вращения. Переворачивает ли электрический ток спины напрямую или это изменение вызывается теплом, выделяемым током?
Чтобы выяснить это, команда разработала эксперимент, позволяющий наблюдать за процессом в режиме реального времени. Они изготовили тонкую пленку из Mn3Sn и отправили через нее короткие электрические импульсы. В то же время они освещали образец точно рассчитанными сверхбыстрыми вспышками света, регулируя задержку между импульсом тока и световым импульсом. Такой подход позволил им собрать временную последовательность, показывающую, как намагниченность менялась момент за моментом.
«Самой сложной частью проекта, — вспоминает Шимано, — было измерение бесконечно малых изменений магнитооптического сигнала. Однако мы были удивлены, насколько четко мы наконец смогли наблюдать процесс переключения, как только нашли правильный метод».
Обнаружены два различных механизма переключения спинов
Эксперимент дал нечто беспрецедентное: покадровое изображение изменения магнитной картины во время переключения. Изображения показали, что поведение зависит от силы приложенного тока.
Когда ток был сильным, переключение происходило за счет нагрева. Однако в условиях более слабого тока спины перевернулись практически без нагрева. Этот второй путь особенно важен, поскольку он предлагает способ быстро и эффективно контролировать магнитные состояния, не тратя энергию в виде тепла.
Этот безтепловой механизм переключения может послужить основой для устройств спинтроники следующего поколения, используемых в вычислениях, средствах связи и современной электронике. Для Shimano полученные результаты указывают на новую научную территорию, которую еще предстоит исследовать.
Расширяя границы пикосекундного переключения
«Наше нынешнее самое быстрое наблюдение электрического переключения в Mn₃Sn с временным разрешением составляет 140 пикосекунд, что в основном ограничено тем, насколько короткими импульсы тока могут быть сгенерированы в настройке нашего устройства. Однако наши результаты показывают, что сам материал может переключаться еще быстрее при соответствующих условиях. В будущем мы стремимся изучить эти предельные пределы, создавая еще более короткие импульсы тока и оптимизируя структуру устройства».
Хотя текущие измерения ограничены 140 пикосекундами, истинный предел скорости материала может быть еще короче. Совершенствуя свои экспериментальные инструменты и конструкцию устройств, исследователи надеются выяснить, насколько быстро в конечном итоге может происходить переключение антиферромагнитного спина.
#Ученые #зафиксировали #магнитный #переворот #за #триллионных #долей #секунды
Ещё по этой теме
