Лед превратили в магнитный носитель

Наномагниты, соединенные друг с другом. Белым показаны их силовые линии.

Развитие физики в последние десятилетия привело к созданию методов нанофабрикации структур, ничтожные размеры которых сделали реальным манипулирование квантовыми эффектами. Один из таких эффектов – спиновый. У электрона есть магнитный момент, направлению которого англичане и дали название «спин» (spin; сравните: спиннинг, шпинель, шпиндель).

Исследователи из университета Северного Иллинойса и Аргоннской лаборатории (США) создали вещество, официальное название которого звучит парадоксально – «перезаписываемый лед магнитного заряда» (RMCI). Трудно поверить, но магнитный лед возможен! В этом веществе магнитные диполи, имеющие южный и северный полюсы, формируют структуру, которая характерна для расположения молекул воды в ее замерзшем состоянии. И все это  благодаря взаимодействию магнитных сил (напряженность магнитного поля) и заряда. Речь в данном случае идет о новом подходе к созданию быстродействующей памяти повышенной емкости, которую с нетерпением ждут создатели новой электроники.

Один из возможных новых подходов предложил недавно Евгений Телепинский, сотрудник израильского университета Бар-Илан, и его коллеги по Нью-Йоркскому университету (APL). Они создали шестиконечную звезду из трех пересекающихся пленочных эллипсов «вечного» сплава (perm-alloy). В точке пересечения эллипсов возникает зона намагничивания со стабильной ориентацией наномагнитов. Благодаря ориентации в лучах звезды, ячейка памяти может хранить шесть, а не два и четыре бита информации.

До этого достижения речь шла о многоуровневых магнитных ячейках памяти (MRAM). Звезда же имеет преимущество двухмерной. Другим преимуществом магнитной памяти перед флешкой является хранение битов в магнитной, а не электронной форме. Это резко снижает затраты энергии при работе памяти и выделение тепла, не говоря уже об увеличении скорости и практически вечной сохранности. (Магнит, как известно, со временем не теряет своих свойств.) Создатели новой MRAM дали своему творению название «спин-орбитальные поворотные переключатели (Spin-Orbital Torque Switch).

Слово torque переводится как «поворот» или изменение ориентации электронного спина, который может быть направлен вверх или вниз. Разрабатываемая на основе этого квантового свойства спинтроника обещает создание мгновенно включающихся устройств, которым не страшны перепады напряжения или даже обесточивание сети.

С 1990-х годов прошлого века ученые знакомы с уникальными свойствами спинового «льда» на основе редкоземельных титанитов (соединений титана). Показано, что спиновые взаимодействия в отличие от природного льда не дают полного замерзания даже при абсолютном нуле. Специалисты Иллинойского университета в Урбана-Шампани опубликовали еще в 2013 году в Nature сообщение о создании магнитно-резистентной памяти случайного (рандомизированного) доступа (MRAM). В ней ток формирует память на магнитных моментах или спинах электронов.

Слово ICE (лед), выложенное из наномагнитов на подложке с помощью микроскопа магнитной силы. Положительные магнитные заряды показаны красным, отрицательные – синим. Иллюстрации из журнала Applied Physics Letters

При этом наномагниты формируют квадратные или шестиугольные,  как у пчел,  соты. Это позволяет контролировать поведение магнитов. Производство «льда» осуществляется путем нагревания до 530 градусов. Повышение температуры подавляет магнитную полярность («смешивает» полюса). Последующее охлаждение в разном режиме дает желаемый порядок в виде квадратных или шестигранных циклов. (Метод термального аннелирования, от лат. annelus – колечко.) Лед «разобщает» магнитные спины и заряды, позволяя использовать все восемь возможных конфигураций магнитного заряда.

Затем ученые, применив микроскоп магнитной силы (Magnetic Force Microscope), записали на подложке слово ICE. Достигнутый успех связан с поворотом спинов, который оказывается достаточным, чтобы сопротивляться (оказывать резистентность) случайному переключению. Чтение основывается на измерении электрического сопротивления, зависящего от одно-  или разнонаправленности электронных спинов. Надежность записи достигается тем, что разнонаправленность спинов не может быть изменена лишь электрическим током (током электронов).

Перезаписываемый «лед» уменьшает потребление энергии, увеличивает скорость работы памяти и благодаря отсутствию интерференции электронов соседних наноячеек в 10 раз повышает плотность записи. Авторы полагают, что им удалось реализовать искусственный лед, состоящий из магнитных зарядов с четко контролируемым энергетическим состоянием.

В свою очередь, получение искусственного спинового льда с наномагнитами, имеющими два магнитных заряда, позволит лучше понять физическую природу льда и другого квантового состояния. Это открывает перспективы дальнейшего познания квантового мира и его феноменов, обещая новое практическое применение.