Богатый железом минерал гематит, часто встречающийся в горных породах и почве обладает нужными ученым магнитными свойствами. Они делают его перспективным материалом для сверхбыстрых вычислений следующего поколения. А началось все со случайного открытия.
В 2023 году исследователи Федеральной политехнической школы Лозанны осуществили отправку и хранение данных с помощью так называемых спиновых волн, а не традиционных токов электронов. Команда, работающая под руководством Дирка Грюндлера в Школе инженерии EPFL, использовала для возбуждения спиновых волн радиочастотные сигналы. Этого было достаточно для того, чтобы изменить состояние намагниченности в наномагнитах. Так ученым удалось реализовать состояния «0» и «1», что фактически означало, что в наномагнитах можно хранить информацию. Такой же процесс происходит в компьютерной памяти.
Большим преимуществом использования спиновых волн является тот факт, что кодирование данных с их помощью позволяет уменьшить энергопотребление и нагрев электронных устройств. Загвоздка состояла в том, что перезаписать такую память швейцарским ученым не удавалась. Но это необходимо для создания устройств памяти, где биты должны многократно перезаписываться.
Новая работа, начавшаяся со случайного открытия ученых, позволила приблизиться к решению этой проблемы и стала важным шагом на пути к устойчивым и сберхбыстрым спинтронным вычислениям.
Несколько месяцев назад специалисты лаборатории Грюндлера в сотрудничестве с коллегами из Университета Бэйхан в Китае смогли продвинуться к реализации такого повторного кодирования. Более того, для решения проблемы они использовали гематит — минерал, представляющий собой оксид железа, который демонстрирует необычные свойства спиновой динамики и может использоваться для обработки сигналов на сверхвысоких частотах. Последнее среди прочего означает сверхбыстрые вычисления.
Открытие произошло неожиданно, когда выпускник EPFL Хайминг Ю, ныне профессор Института Ферта в Пекине (Университет Бэйхан), обнаружил необычные электрические сигналы, исходящие от наноструктурированной платиновой антенны на гематите. Сигналы, измеренные исследователем Лутоном Шэном из той же группы, были непохожи ни на какие другие, наблюдаемые на привычных исследователям магнитных материалах. Поэтому команда Ю отправила свое устройство для анализа в лабораторию Грюндлера.
Изучая магнонные сигналы в образце, Грюндлер обратил внимание на «возмущение» в их пространственном распределении.
«Это проницательное наблюдение в конечном итоге привело к открытию интерференционной картины, которая стала поворотной точкой этого исследования», — говорит Ю.
С помощью метода микроскопии рассеяния света Мандельштама-Бриллюэна аспирантка EPFL Анна Дувакина определила, что необычные электрические сигналы в образце гематита были связаны с интерференцией двух различных возбуждений спиновых волн — так называемых магнонных мод. Более того, результирующая мода, возникающая при интерференции, может принимать оба направления вращения спина в зависимости от подаваемой частоты, что позволяет переключать магнитный бит туда и обратно.
Другие магнитные материалы, такие как железо-иттриевый гранат, поддерживают лишь одно направление вращения магнонных мод. Наличие двух направлений оказалось принципиально важным, так как это позволило переключать спиновые токи между противоположными режимами внутри одного устройства. Это, в свою очередь, дало возможность изменять направление намагниченности наномагнита в обе стороны.
После того, как намагниченность [бита] установилась, ее невозможно было переключить с помощью другой спиновой волны — управляющий сигнал действовал как переключатель только в одном направлении […] Проблема заключалась в том, что использовался только один тип магнонной моды, который всегда придавал спинам одинаковое направление вращения — как будто волчок все время запускается в одну и ту же сторону. Для перезаписи требовался противоположный крутящий момент
Изучение устройства на гематите фактически позволило ученым переключать магнитный бит туда и обратно, используя спиновые волны с разными частотами. Это означает полноценную возможность перезаписи данных.
Гематит широко распространен на Земле и его применение гораздо более экологично, чем материалы, используемые в настоящее время в спинтронике.
Грюндлер объясняет: «Эта работа демонстрирует, что гематит — это не просто устойчивая замена устоявшимся материалам, таким как железо-иттриевый гранат». (Гранатами ученые называют группу минералов с особой химической формулой. – прим. ред.)
«Гематит известен человеку уже тысячи лет, но его магнетизм слишком слаб для стандартных применений. Теперь же выясняется, что он превосходит материал, который был оптимизирован для микроволновой электроники в 1950-х годах», — говорит Грюндлер.
«Спинтроника на основе гематита привлекает внимание благодаря возможности перезаписи магнитной памяти, но ее потенциал не ограничивается хранением данных», — добавляет Анна Дувакина.
«Благодаря слабому результирующему магнитному моменту, работе на высоких частотах и недавно открытым особенностям спиновой динамики, гематит может найти применение в самых разных областях — от логических схем на спиновых волнах и радиочастотных компонентов (таких как фильтры и модуляторы) до магнитных датчиков и наноустройств. Его свойства также могут быть полезны в нейроморфных вычислениях, где спиновые волны имитируют работу нейронов, а также в радиационно-стойкой электронике для космоса», — поясняет исследовательница.
Статья ученых была опубликована в журнале Nature Physics.
Ранее мы рассказывали о тепловых эффектах в спинтронике.
