Исследователи разработали новую теорию, объясняющую, почему туннельное магнетосопротивление (ТМС), используемое в магнитной памяти и других технологиях, колеблется при изменении толщины изолирующего барьера в магнитном туннельном переходе (МТП). Это колебание было чётко зафиксировано, когда NIMS недавно зарегистрировала самое высокое в мире соотношение ТМС.
Понимание механизмов, стоящих за этим явлением, как ожидается, значительно поможет в дальнейшем увеличении соотношений ТМС.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review B.
Эффект ТМС — это явление, наблюдаемое в тонкоплёночных структурах, называемых магнитными туннельными переходами (МТП). Он относится к изменениям электрического сопротивления в зависимости от взаимной ориентации намагниченности в двух магнитных слоях (параллельная или антипараллельная ориентация), разделённых изолирующим барьером.
Желательно разработать МТП с более высокими эффектами ТМС, что отразится в более высоких соотношениях ТМС, чтобы расширить их потенциальное применение, включая улучшение чувствительности магнитных датчиков и расширение ёмкости магнитной памяти.
Команда исследователей из NIMS недавно достигла самого высокого в мире соотношения ТМС и обнаружила, что это соотношение колеблется при изменении толщины изолирующего барьера. Это открытие указывает на то, что понимание физического происхождения колебаний ТМС жизненно важно для достижения ещё более высоких соотношений ТМС.
Самые точные в мире часы достигают 19-значной точности с помощью технологии с ионами алюминия
Учёные из Национального института стандартов и технологий (NIST) улучшили свои атомные часы на основе захваченного иона алюминия. Эти часы могут измерять время с точностью до 19 знаков после запятой.
Оптические часы обычно оцениваются по двум параметрам: точности (насколько близко часы измеряют идеальное «истинное» время, также известное как систематическая неопределённость) и стабильности (насколько эффективно часы могут измерять время, что связано со статистической неопределённостью).
Новый рекорд по точности на 41% превышает предыдущий рекорд, а также в 2,6 раза более стабилен, чем любые другие ионные часы. Для достижения этих уровней были тщательно улучшены все аспекты часов, от лазера до ловушки и вакуумной камеры.
Команда опубликовала свои результаты в журнале Physical Review Letters.
«Это захватывающе — работать над самыми точными часами в мире», — сказал Мейсон Маршалл, исследователь NIST и первый автор статьи. «В NIST мы реализуем долгосрочные планы по точным измерениям, которые могут продвинуть физику и наше понимание мира вокруг нас».
Ион алюминия обеспечивает исключительно хорошие часы с чрезвычайно стабильной, высокочастотной «тик-так» скоростью. Его «тиканье» более стабильно, чем у цезия, который обеспечивает текущее научное определение секунды, сказал Дэвид Хьюм, физик NIST, возглавляющий проект по созданию часов с ионами алюминия.
Алюминий трудно исследовать и охлаждать с помощью лазеров, что является необходимым методом для атомных часов. Поэтому исследовательская группа объединила ион алюминия с ионом магния. Магний не обладает красивыми «тик-так» свойствами алюминия, но его можно легко контролировать с помощью лазеров.
«Эта «система напарников» для ионов называется квантовой логической спектроскопией», — сказала Вилла Артур-Дворшак, аспирантка, работающая над проектом. Ион магния охлаждает ион алюминия, замедляя его. Он также движется в тандеме со своим алюминиевым партнёром, и состояние часов можно считывать по движению иона магния, что делает эти часы «квантовыми логическими».
Даже при такой координации необходимо было охарактеризовать ряд физических эффектов, сказал Даниэль Родригес Кастильо, также аспирант, работающий над проектом. «Это большая и сложная задача, потому что каждая деталь конструкции часов влияет на их работу».
Одним из вызовов было проектирование ловушки, в которой удерживаются ионы. Эта ловушка вызывала крошечные движения ионов, называемые избыточным микродвижением, что снижало точность часов. Команда переработала ловушку, поместив её на более толстую алмазную пластину и модифицировав золотые покрытия на электродах, чтобы устранить дисбаланс электрического поля.
Они также сделали золотые покрытия толще, чтобы снизить сопротивление. Усовершенствование ловушки замедлило движение ионов и позволило им «тикать» без помех.
Вакуумная система, в которой должна работать ловушка, также вызывала проблемы. Водород диффундирует из стали типичной вакуумной камеры, сказал Маршалл. Следы газообразного водорода сталкивались с ионами, прерывая работу часов. Это ограничивало время проведения эксперимента до перезагрузки ионов каждые 30 минут.
Команда переработала вакуумную камеру и изготовила её из титана, что снизило фоновый уровень газообразного водорода в 150 раз. Это позволило им работать несколько дней без перезагрузки ловушки.
Для работы часов требовался более стабильный лазер для исследования ионов и подсчёта их «тиков». Группа использовала ультрастабильный лазерный луч, переданный по оптоволоконной линии из лаборатории Цзюнь Е в JILA (совместный институт NIST и Университета Колорадо в Боулдере). Этот процесс позволил лазеру лаборатории Е передать свою стабильность лазеру часов с ионами алюминия.
С этим улучшением исследователи могли исследовать ионы в течение целой секунды по сравнению с их предыдущим рекордом в 150 миллисекунд. Это повысило стабильность часов, сократив время, необходимое для измерения до 19-го знака после запятой, с трёх недель до полутора дней.
С этим новым рекордом часы с ионами алюминия вносят свой вклад в международные усилия по переопределению секунды на гораздо более высоком уровне точности, что способствует новым научным и технологическим достижениям. Обновления также значительно улучшают их использование в качестве испытательной площадки для квантовой логики, исследуя новые концепции в квантовой физике и создавая инструменты, необходимые для квантовых технологий.
published as a letter article in Physical Review B.”,”The TMR effect is a phenomenon observed in thin-film structures called magnetic tunnel junctions (MTJs). It refers to changes in electrical resistance depending on the relative alignment of magnetizations in two magnetic layers (i.e., parallel or antiparallel alignment) separated by an insulating barrier. It is desirable to develop MTJs with larger TMR effects—reflected in higher TMR ratios—in order to expand their potential applications, including improvement of magnetic sensor sensitivity and expansion of magnetic memory capacity.”,”A NIMS research team recently achieved the world’s highest TMR ratio, and also found that the TMR ratio oscillates by changing the thickness of the insulating barrier, referred to as the TMR oscillation. This finding indicates that understanding the physical origin of the TMR oscillation is vital to achieving even higher TMR ratios. However, the mechanism responsible for the TMR oscillation had remained unknown despite extensive research conducted on the subject for more than two decades.”,”The present research team developed a new theory for the TMR oscillation by considering a mechanism that had been overlooked in previous theoretical studies. Interfaces between magnetic layers and the insulating barrier in MTJs have been believed to play an important role in the TMR effect. The team took into account a superposition of wave functions between majority- and minority-spin states occurring at such an interface—the most important and novel contribution made by this study. TMR ratios calculated using this theory were consistent with TMR ratios obtained experimentally, supporting the validity of the present theory.”,”Previous experiments for the TMR oscillation were conducted using MTJs with limited types of magnetic materials (e.g., iron). Future experimental studies using a broader range of magnetic materials may further advance the understanding of the TMR oscillation by comparing the results with the present theory. In addition, the present theory is expected to contribute to the development of guidelines for the control of TMR oscillation and the design of MTJs with even higher TMR ratios.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tNational Institute for Materials Science\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник