Команда физиков под руководством Рё Симано из Токийского университета впервые напрямую пронаблюдала, как переворачиваются спины электронов внутри антиферромагнетика – материала, в котором противоположно направленные спины компенсируют друг друга. Зафиксировав этот процесс, исследователи выявили два различных механизма переключения. Один из них открывает практический путь к созданию сверхбыстрых и энергонезависимых устройств магнитной памяти и логики, способных превзойти современные технологии.
От перфокарт до транзисторов – современные вычисления всегда опирались на физические системы для представления нулей и единиц. Поскольку спрос на вычислительную мощность продолжает расти, исследователи ищут более быстрые и эффективные альтернативы. Антиферромагнетики являются одним из многообещающих вариантов. Хотя внешне они кажутся магнитно-нейтральными, их внутреннюю магнитную структуру можно использовать для хранения цифровой информации совершенно новыми способами.
«В течение многих лет, – говорит Симано, – ученые считали, что антиферромагнетики, такие как Mn3Sn (сплав марганца и олова), могут переключать свою намагниченность чрезвычайно быстро. Однако оставалось неясным, может ли это энергонезависимое переключение завершиться за несколько пикосекунд и как именно меняется намагниченность в процессе». Центральный вопрос заключался в том, что именно заставляет спины переворачиваться – электрический ток напрямую или тепло, выделяемое этим током.
Чтобы найти ответ, команда разработала эксперимент для наблюдения за процессом в реальном времени. Ученые изготовили тонкую пленку из Mn3Sn и пропускали через нее короткие электрические импульсы. Одновременно образец освещался сверхбыстрыми вспышками света с точно рассчитанной задержкой относительно импульса тока. Этот подход позволил собрать покадровую последовательность, демонстрирующую, как намагниченность меняется с течением времени.
Эксперимент дал беспрецедентный результат – по сути, «видеозапись» изменения магнитных узоров во время переключения. Изображения показали, что поведение материала зависит от силы приложенного тока. При сильном токе переключение было вызвано тепловыми эффектами. Однако при более слабом токе спины переворачивались практически без нагрева. Этот второй путь особенно важен, поскольку он предлагает способ быстро и эффективно управлять магнитными состояниями, не тратя энергию на выделение тепла.
Этот «безнагревный» механизм переключения может стать основой для спинтронных устройств нового поколения, используемых в вычислениях, связи и передовой электронике. По словам исследователей, текущее самое быстрое наблюдение переключения составляет 140 пикосекунд и в основном ограничено возможностями экспериментальной установки генерировать короткие импульсы тока. Однако полученные данные предполагают, что сам материал при подходящих условиях способен переключаться еще быстрее. В будущем ученые намерены исследовать эти предельные скорости, создавая еще более короткие импульсы тока и оптимизируя конструкцию устройства.
