Исследователи разработали новую теорию, объясняющую, почему туннельное магнитосопротивление (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 относительной ориентации намагничивания в двух магнитных слоях (параллельная или антипараллельная ориентация), разделённых изолирующим барьером.
Исследовательская группа NIMS недавно достигла самого высокого в мире соотношения ТМС и обнаружила, что это соотношение колеблется при изменении толщины изолирующего барьера, что называется колебанием ТМС. Это открытие указывает на то, что понимание физического происхождения колебаний ТМС жизненно важно для достижения ещё более высоких соотношений ТМС.
Однако механизм, ответственный за колебания ТМС, оставался неизвестным, несмотря на обширные исследования, проводимые по этому вопросу более двух десятилетий.
Новая теория
Исследовательская группа разработала новую теорию колебаний ТМС, рассмотрев механизм, который был упущен из виду в предыдущих теоретических исследованиях. Интерфейсы между магнитными слоями и изолирующим барьером в МТП, как полагают, играют важную роль в эффекте ТМС.
Команда учла суперпозицию волновых функций между состояниями со спином большинства и меньшинства, возникающую на таком интерфейсе — наиболее важный и новый вклад, внесённый этим исследованием. Соотношения ТМС, рассчитанные с использованием этой теории, соответствовали соотношениям ТМС, полученным экспериментально, что подтверждает обоснованность настоящей теории.
Будущие экспериментальные исследования с использованием более широкого спектра магнитных материалов могут дополнительно продвинуть понимание колебаний ТМС путём сравнения результатов с настоящей теорией.
Новые рекордсмены по точности атомных часов
Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) улучшили свои атомные часы на основе захваченного алюминиевого иона. Часть последней волны оптических атомных часов, они могут измерять время с точностью до 19 знаков после запятой.
Оптические часы обычно оцениваются по двум уровням: точности (насколько близко часы подходят к измерению идеального «истинного» времени, также известного 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 эти часы в 2,6 раза более стабильны, чем любые другие ионные часы.
Результаты опубликованы в Physical Review Letters.
Мейсон Маршалл, исследователь NIST и первый автор статьи, сказал: «Это захватывающе — работать над самыми точными часами в мире. В NIST мы реализуем долгосрочные планы в области точных измерений, которые могут подтолкнуть физику и наше понимание мира вокруг нас».
Алюминиевый ион делает исключительно хорошие часы с чрезвычайно стабильной, высокочастотной скоростью «тиканья». Его тики более стабильны, чем у цезия, который обеспечивает текущее научное определение секунды, сказал Дэвид Хьюм, физик NIST, возглавляющий проект по созданию часов с алюминиевым ионом.
Однако алюминиевый ион довольно застенчив, объяснил Маршалл. Алюминий трудно исследовать и охлаждать с помощью лазеров, обе техники необходимы для атомных часов. Поэтому исследовательская группа объединила алюминиевый ион с магнием. Магний не обладает красивыми тикающими свойствами алюминия, но его можно легко контролировать с помощью лазеров.
«Эта «система приятелей» для ионов называется квантовой логической спектроскопией», — сказала Уилла Артур-Дворшак, аспирантка, работающая над проектом. Магниевый ион охлаждает алюминиевый ион, замедляя его.
Команда также усовершенствовала ловушку, в которой удерживаются ионы, чтобы уменьшить избыточное микродвижение ионов, которое снижало точность часов. Они также переработали вакуумную систему, чтобы уменьшить количество водорода, который мешал работе часов.
С помощью этих улучшений исследователи смогли исследовать ионы в течение целой секунды по сравнению с их предыдущим рекордом в 150 миллисекунд. Это улучшает стабильность часов, сокращая время, необходимое для измерения до 19-го знака после запятой, с трёх недель до полутора дней.
С этим новым рекордом часы с алюминиевым ионом вносят свой вклад в международные усилия по переопределению секунды на гораздо более высоком уровне точности, что способствует новым научным и технологическим достижениям.