Как это сделано имеет значение: производительность устройств спинтроники связана с изменениями на атомном уровне интерфейса
Исследование Рикен
Физик из Рикен доказал, что модель Изинга не имеет точных решений в более чем одном измерении. Исследование опубликовано в журнале Physical Review B.
Теоретические физики разрабатывают математические модели для описания систем материалов, которые затем используют для прогнозирования поведения материалов. Одной из наиболее важных моделей является модель Изинга, которая была впервые разработана около века назад для моделирования магнитных материалов, таких как железо и никель.
Классическая и квантовая модели Изинга
Классическая модель Изинга состоит из сетки точек, которые имеют либо спин вверх, либо спин вниз. Спины взаимодействуют с ближайшими к ним спинами, и система пытается минимизировать общую энергию, выравнивая спины.
Квантовая версия модели Изинга включает квантовую механику, которая позволяет учитывать такие эффекты, как суперпозиция и квантовые флуктуации. Она может быть использована для моделирования квантовых материалов и может быть полезна для разработки квантовых компьютеров.
«Квантовые модели Изинга — это квантовые расширения классической модели Изинга, одной из простейших теоретических моделей магнетизма», — объясняет Ююя Чиба из исследовательской группы неравновесной квантовой статистической механики Рикен Хакуби. «Они являются одними из наиболее фундаментальных и широко изучаемых моделей квантовых спиновых систем многих тел».
Отсутствие локальных сохраняющихся величин
В предыдущих исследованиях было доказано, что одномерные квантовые модели Изинга не имеют «локальных сохраняющихся величин» — величин, подобных энергии, которые могут быть определены локально в пространстве и оставаться постоянными во времени при рассмотрении системы в целом.
Теперь Чиба впервые строго установил, что квантовые модели Изинга в двух и более измерениях не имеют таких локальных сохраняющихся величин, кроме энергии.
Это доказательство означает, что квантовые модели Изинга не имеют точных решений, и поэтому физикам придётся прибегать к вычислительным методам для их анализа.
Спинтроника
Устройства спинтроники будут играть ключевую роль в создании более быстрых и энергоэффективных компьютеров. Чтобы лучше понять, как их создавать, команда из Университета Кобе показала, как различные технологии производства влияют на свойства материалов ключевого компонента.
Электронные устройства могут быть сделаны более эффективными и быстрыми, если электроны смогут нести больше информации одновременно. Это основная идея спинтроники, где исследователи пытаются использовать спин электронов в дополнение к заряду в хранении данных, обработке и сенсорных устройствах для значительного улучшения наших компьютеров.
Одним из компонентов таких устройств является «магнитный туннельный переход», который может быть использован, например, для нейронного поведения в обработке информации или в новом типе быстрой и энергонезависимой памяти. Они состоят из двух ферромагнетиков, обычно сплава никеля и железа, сэндвичевых тонкий изолирующий слой, такой как графен.
Влияние производства на свойства интерфейса
Команда из Университета Кобе обнаружила, что способ производства этих материалов, вероятно, изменяет электронную структуру интерфейса. Они исследовали, как металл и изолятор будут выравниваться на атомном уровне в зависимости от технологии производства; и как это повлияет на магнитные свойства на интерфейсе, которые важны для приложений спинтроники.
Для части своих расчётов они использовали суперкомпьютер Рикен в Кобе, который был самым быстрым суперкомпьютером в мире до 2022 года.
В Journal of Applied Physics команда из Университета Кобе опубликовала свои результаты. Они показывают, что поверхность ферромагнетика отличается, когда изолятор переносится на неё по сравнению с тем, когда ферромагнитный кристалл выращивается на чешуйке изолятора.
Более конкретно, объёмный магнит из никеля и железа, на который можно перенести графен, обычно имеет больше никеля на своей поверхности, тогда как магнит, выращенный на чешуйке графена, будет иметь слой железа. Это имеет значение для поведения магнитного туннельного перехода, независимо от того, используются ли они для датчиков или для устройств хранения.
Причина, по которой эти две ситуации различаются, заключается в том, как электроны атомов изолятора взаимодействуют с электронами атомов металла.
«На границе раздела между никелем-железом и графеном, который мы изучали, электроны атомов железа и атомы углерода смешиваются, или, как мы говорим, «гибридизуются». Электроны углерода и никеля этого не делают. Это влияет на то, как ведёт себя переход в целом», — объясняет Оно.
Результаты не только прокладывают путь для лучшего контроля над производством этого конкретного компонента. Поскольку исследователи обнаружили основной механизм, управляющий структурой интерфейса между ферромагнитными металлами и двумерными материалами, они распространяются и на другие системы материалов.
Оно говорит: «Наша цель — разработать высокопроизводительные магнитные туннельные переходы, сделанные из других материалов. Мы считаем, что достигли фундаментальных и ценных результатов, которые продвинут исследования во всей области».
Предоставлено:
- [RIKEN](https://phys.org/partners/riken/)
- [Kobe University](https://phys.org/partners/kobe-university/)