|
Исследователи открыли новый класс магнетизма
|
|
|
|
В рамках прорывного развития физики конденсированных сред и цифровых технологий исследователи из Ноттингемского университета сообщают об открытии новой магнитной фазы, получившей название “альтермагнетизм”. Это открытие объединяет лучшие характеристики известных типов магнитов, обещая кардинальные изменения в цифровых устройствах и приложениях для спинтроники.
|
|
|
|
“Альтермагнетики состоят из магнитных моментов, которые направлены антипараллельно своим соседям. Однако каждая часть кристалла, в которой происходят эти крошечные моменты, повернута относительно своих соседей”, - говорится в заявлении соавтора исследования и профессора физики и астрономии Ноттингемского университета доктора Питера Уодли. “Это похоже на антиферромагнетизм с изюминкой! Но это тонкое различие имеет огромные последствия”.
|
|
|
|
На протяжении десятилетий магнетизм лежал в основе современных технологий, от жестких дисков до квантовых исследований. Две традиционные категории, ферромагнетизм и антиферромагнетизм, имеют неоспоримые преимущества, но и присущие им ограничения.
|
|
|
|
Ферромагнетики, известные своей внутренней намагниченностью, являются основой коммерческих устройств памяти, но им не хватает масштабируемости и неэффективности из-за их суммарного магнитного момента. И наоборот, антиферромагнетики обеспечивают скорость и надежность, но не обладают спинтронными свойствами, необходимыми для более широкой технологической интеграции.
|
|
|
|
|
|
|
Этот недавно открытый третий класс магнетизма, альтермагнетизм, объединяет эти две парадигмы, предлагая преимущества обеих без их недостатков.
|
|
|
|
В исследовании, недавно опубликованном в журнале Nature, ученые продемонстрировали способность визуализировать и контролировать альтермагнитные состояния теллурида марганца (MnTe) с наноразмерным разрешением.
|
|
|
|
В отличие от ферромагнетиков, альтермагнетики не обладают суммарной намагниченностью, что делает их очень энергоэффективными. Тем не менее, они сохраняют сильные эффекты спинового тока, сродни ферромагнетикам, что позволяет применять их в высокопроизводительных системах памяти.
|
|
|
|
Исследователи использовали усовершенствованный рентгеновский магнитный круговой дихроизм (XMCD) и линейный дихроизм (XMLD), чтобы выявить сложные альтернативные магнитные текстуры, включая наноразмерные вихри и доменные границы.
|
|
|
|
Исследование показало, что этими текстурами можно манипулировать с помощью термоциклирования и магнитных полей, что является ключевым прорывом в создании функциональных устройств.
|
|
|
|
Последствия этого открытия могут быть серьезными. Альтернативный магнетизм открывает путь к созданию масштабируемых и энергоэффективных устройств.
|
|
|
|
Не обладая суммарной намагниченностью, альтермагнитные материалы по своей природе совместимы со сверхпроводниками и другими чувствительными фазами. Эта совместимость делает их идеальными для передовых квантовых и нейроморфных технологий.
|
|
|
|
В отличие от традиционных магнитных материалов, которые чувствительны к внешним воздействиям, исчезающая суммарная намагниченность альтермагнетиков позволяет им надежно работать в экстремальных условиях, что является существенным преимуществом для применений, требующих долговечности и точности.
|
|
|
|
Исследователи применили молекулярно-лучевую эпитаксию для выращивания пленок MnTe и комбинацию методов XMCD и XMLD фотоэмиссионной электронной микроскопии для картирования и контроля альтернативных магнитных состояний.
|
|
|
|
Таким образом, они продемонстрировали, что спиновыми текстурами в MnTe можно манипулировать в масштабах от нанометров до микрометров. Этот прорыв в области визуализации позволил команде создать подробные карты вектора магнитного порядка и манипулировать конкретными конфигурациями вращения, такими как однодоменные состояния и пары вихрь-антивихревик.
|
|
|
|
Это открытие может революционизировать наш подход к цифровым и нейроморфным устройствам спинтроники. Объединяя преимущества ферромагнитного и антиферромагнитного поведения, альтермагнетики обеспечивают беспрецедентную гибкость при проектировании спинтронных систем.
|
|
|
|
Возможность управлять магнитными состояниями на наноуровне открывает возможности для различных практических применений. Альтермагниты могут поддерживать устройства памяти, которые меньше, быстрее и более энергоэффективны, чем их ферромагнитные аналоги.
|
|
|
|
Их уникальные свойства также делают их совместимыми со сверхпроводящими фазами, прокладывая путь к достижениям в области квантовых вычислений. Кроме того, их высокая масштабируемость в пространстве и во времени делает их подходящими для нейроморфных вычислений - области, ориентированной на создание систем, имитирующих человеческий мозг.
|
|
|
|
Помимо непосредственного применения, альтермагнетизм открывает новые возможности для исследований. Он открывает возможности для изучения взаимодействий с топологическими фазами, нетрадиционных явлений спиновой поляризации и передовых электронных материалов.
|
|
|
|
Совместимость альтермагнитных состояний с различными типами проводимости — от изоляторов до металлов — свидетельствует о его широком применении в различных научных дисциплинах. Исследователи особенно заинтересованы в его потенциале при разработке цифровых устройств, которые являются энергоэффективными и устойчивыми к возмущениям внешнего магнитного поля.
|
|
|
|
“Наша экспериментальная работа обеспечила связь между теоретическими концепциями и реализацией в реальной жизни, что, как мы надеемся, откроет путь к разработке альтернативных магнитных материалов для практического применения”, - пояснил ведущий автор исследования и старший научный сотрудник Ноттингемского университета доктор Оливер Амин.
|
|
|
|
Результаты этого исследования также подчеркивают важность формирования структуры и охлаждения в полевых условиях для формирования альтернативных магнитных текстур. Применяя внешние магнитные поля во время термоциклирования, команда продемонстрировала способность формировать большие однодоменные состояния в MnTe, что является важной особенностью для создания стабильных и высокопроизводительных устройств.
|
|
|
|
Масштабируемость этих методов позволяет предположить, что альтернативные магнитные материалы могут быть использованы в широком спектре применений, от наноразмерных компонентов до макромасштабных систем.
|
|
|
|
Спинтроника, использующая собственный спин электронов для обработки и хранения данных, может извлечь огромную пользу из альтермагнетизма. Современные устройства спинтроники в значительной степени основаны на ферромагнитных материалах, которые обеспечивают их способность считывать и записывать данные.
|
|
|
|
Альтернативные магниты с их мощным эффектом спинового тока и нулевой суммарной намагниченностью представляют собой шаг вперед в создании устройств, которые не только более компактны, но и устойчивы к неэффективности традиционных подходов.
|
|
|
|
Поскольку исследователи продолжают изучать эту новую магнитную фазу, будущее альтернативного магнетизма выглядит многообещающим. Способность точно манипулировать магнитными состояниями и создавать масштабируемые, энергоэффективные системы потенциально может трансформировать множество областей, от бытовой электроники до передовых вычислений. Альтермагнетики могут стать основой устройств следующего поколения, обеспечивающих более инновационные, быстрые и надежные технологии.
|
|
|
|
В конечном счете, открытие альтермагнетизма означает смену парадигмы в нашем понимании магнетизма и его применений.
|
|
|
|
Преодолевая ограничения традиционных ферромагнитных и антиферромагнитных систем, altermagnets предлагают уникальное решение, отвечающее растущим требованиям современных технологий.
|
|
|
|
При дальнейшем изучении и развитии альтермагнетизм может стать краеугольным камнем инноваций, революционизирующим отрасли и определяющим будущее цифровых устройств.
|
|
|
|
Источник
|
