Группа исследователей под руководством Рио Шимано из Токийского университета успешно визуализировала два различных механизма переключения спинов (встроенных свойств электронов) в антиферромагнетике — материале, в котором взаимная ориентация спинов компенсирует друг друга. Один из визуализированных механизмов представляет собой рабочий принцип для разработки сверхбыстрых энергонезависимых устройств магнитной памяти и логических устройств, которые могут быть намного быстрее, чем современные технологии.
Результаты опубликованы в журнале Nature Materials.
Антиферромагнетики и их потенциал
Классические технологии кодирования 0 и 1 включают бумажные ленты с отверстиями, маленькие металлические стержни, вакуумные трубки и транзисторы. Однако растущие вычислительные потребности мира требуют ещё более мощных инструментов. Антиферромагнетики — это класс материалов, чьи магнитные свойства (или их отсутствие) могут быть использованы для кодирования 0 и 1 новым способом.
«В течение многих лет, — говорит Шимано, — учёные полагали, что антиферромагнетики, такие как Mn₃Sn, могут чрезвычайно быстро переключать свою намагниченность. Однако было неясно, может ли это невременное переключение происходить в диапазоне от нескольких до нескольких десятков пикосекунд или как намагниченность действительно изменяется в процессе переключения».
Вопрос о механизме
Главный вопрос о механизме заключался в том, вызван ли он теплом, генерируемым электрическим током, или самим током. Исследователи решили найти ответ на этот вопрос, визуализировав механизм.
Они подготовили тонкий слой Mn₃Sn и пропустили через него короткие электрические импульсы. Затем, используя точно контролируемые сверхбыстрые вспышки света с различными задержками по сравнению с электрическим импульсом, они попытались создать «покадровое изображение» изменения намагниченности.
«Самой сложной частью проекта было измерение бесконечно малых изменений в магнитооптическом сигнале, — говорит Шимано. — Однако мы были удивлены, насколько чётко мы могли наблюдать процесс переключения, как только установили правильный метод».
Их результатом стало то, что никогда ранее не было видно: покадровая визуализация изменения магнитного рисунка. Кадры показали, что переключение происходит в два различных процесса в зависимости от амплитуды тока: один, управляемый тепловым процессом при большом токе, и другой, управляемый без существенного нагрева при слабом токе. Последний процесс может стать основой для приложений в разработке надёжных устройств спинтроники следующего поколения для вычислений, связи и передовой электроники.
Для Шимано это означает одно: границы знаний, которые ждут своего расширения.
«Наше нынешнее самое быстрое наблюдение за электрическим переключением в Mn₃Sn составляет 140 пикосекунд, в основном ограниченное тем, насколько короткими могут быть сгенерированы импульсы тока в нашей установке устройства. Однако наши результаты показывают, что сам материал может переключаться ещё быстрее при соответствующих условиях. В будущем мы планируем изучить эти конечные пределы, создавая ещё более короткие импульсы тока и оптимизируя структуру устройства».
Предоставлено Токийским университетом.
Nature Materials.»,»Paper slips with holes, small metal rods, vacuum tubes, and transistors: These are technologies that have been used to encode 0s and 1s, the basis of classical computation. However, the world’s ever-growing computational needs demand yet more powerful tools. Antiferromagnets are a class of materials whose magnetic properties, or lack thereof, could be leveraged to encode 0s and 1s in a novel way.»,»\»For many years,\» says Shimano, \»scientists believed that antiferromagnets like Mn₃Sn could switch their magnetization extremely quickly. However, it was unclear whether this non-volatile switching could complete within a few to several tens of picoseconds or how the magnetization really changed during the switching process.\»»,»The biggest question about the mechanism was whether it was driven by the heat generated by the electric current or by the current itself. The researchers thus set out to find the answer to this question by visualizing the mechanism.»,»They prepared a thin layer of Mn3Sn and sent short electric pulses through it. Then, using precisely controlled ultrafast flashes of light with varying delays compared to the electric pulse, they tried to create a \»time-lapse image\» of the change in magnetization.»,»\»The most challenging part of the project was measuring the infinitesimal changes in the magneto-optical signal. However, we were surprised how clearly we could finally observe the switching process once we established the right method,\» Shimano says.»,»Their result was something that had never been seen before: a frame-by-frame visualization of the change in the magnetic pattern. The frames revealed that switching occurs in two distinct processes depending on the current amplitude: one driven by a thermal process under a large current and another driven without substantial heating under a weak current. The latter process could provide the basis for applications in developing reliable next-generation spintronic devices for computing, communications, and advanced electronics.»,»To Shimano, this means one thing: boundaries of knowledge waiting to be expanded.»,»\»Our present fastest time-resolved observation of electrical switching in Mn₃Sn is 140 picoseconds, mainly limited by how short the current pulses can be generated in our device setup. However, our findings suggest that the material itself could switch even faster under appropriate conditions. In the future, we aim to explore these ultimate limits by creating even shorter current pulses and by optimizing the device structure.\»»,»\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\tUniversity of Tokyo\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 Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник