Ученые разработали быстрый способ управления магнитными свойствами материала при комнатной температуре — с помощью лазерного импульса. Лазер «поворачивает» микроскопические магнитные стрелки внутри материала на 90 градусов, словно стрелку компаса. При этом материал кратковременно (на миллионные доли микросекунды) переходит в особое «скрытое» состояние. Контролируя это состояние, можно регулировать скорость и полноту переключения. Технология открывает путь к созданию сверхбыстрых магнитных устройств нового поколения для хранения и обработки данных. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Чтобы использовать магнитный материал как носитель информации (например, для записи «0» и «1» в жестком диске), нужно уметь переключать направления его магнитных моментов — микроскопических «магнитных стрелок». При этом они должны быть строго упорядочены: только тогда материал создает стабильный магнитный сигнал, позволяющий надежно записывать и считывать данные.
В магнитной памяти сейчас применяют ферромагнетики (например, железо, кобальт, никель). В них магнитные моменты атомов сами выстраиваются параллельно, а внешнее поле может их переключить — но небыстро, что тормозит развитие устройств. Более перспективны антиферромагнетики: у них магнитные моменты соседних атомов направлены противоположно. Однако пока ученые ищут способ быстро и эффективно переключать их магнитные состояния при комнатной температуре.
Ученые из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) с коллегами из Научно-практического центра НАН Беларуси по материаловедению (Минск) и Саратовского государственного университета имени Н.В. Чернышевского (Саратов) предложили менять магнитное состояние антиферромагнетика при комнатной температуре, воздействуя на него лазером. Ранее такой способ управления антиферромагнетиком ученые в основном пытались применить только при очень низких температурах — от −196 °C до −269 °C, что не подходит для реальных устройств.
Авторы исследовали борат железа — антиферромагнетик из железа, бора и кислорода. В нем две группы магнитных моментов направлены противоположно и слегка скошены. При нагреве до +140 °C моменты резко поворачиваются на 90 градусов — происходит магнитный фазовый переход, похожий на превращение льда в воду, но гораздо быстрее.
Воздействуя на материал короткими лазерными импульсами, физики зафиксировали резкое изменение направления магнитных моментов. Впервые удалось обнаружить, что процесс идет через промежуточное «скрытое» состояние, недоступное для наблюдения в обычных условиях. Это открытие имеет большое значение для фундаментальной науки.
«Скрытое» состояние существует всего миллионные доли микросекунды, после чего из-за лазерного нагрева магнитные моменты атомов окончательно поворачиваются на 90 градусов, то есть магнитное состояние материала переключается. Несмотря на такое короткое время существования, «скрытое» состояние оказывается решающим для того, насколько быстро произойдет переключение и будет ли оно полным.
Нам впервые удалось быстро переключить магнитное состояние антиферромагнетика лазером при температуре немного выше комнатной. Результаты показывают, что короткие лазерные импульсы способны изменять магнитное состояние быстрее и изящнее, чем магнитное поле или электрический ток. Их использование открывает путь к созданию энергоэффективных и скоростных компонентов памяти и логики.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что найден способ без потерь управлять распространением света в 3D-пространстве.
