`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

IBM Research разработала новый метод исследования магнитных свойств вещества

0 
 

Ученые IBM Research предложили мощный метод исследования и регулирования магнитных явлений на фундаментальном – атомном – уровне. Он обещает стать важным инструментом в изучении компьютерных электронных схем и элементов систем хранения данных в условиях уменьшения их размеров до атомных масштабов и должен помочь в создании основ для получения новых материалов и вычислительных устройств, использующих магнитные явления атомного уровня.

Новые экспериментальные результаты были представлены в одном из мартовских номеров Science Express – онлайновом бюллетене журнала Science, где публикуется информация, которую редакция считает особенно важной и в каком-то смысле даже безотлагательной. Авторами сообщения являются Сайрус Хирджибехедин (Cyrus Hirjibehedin), Кристофер Лутц (Christopher Lutz) и Андреас Хайнрих (Andreas Heinrich).

Метод, получивший название спектроскопии спиновых возбуждений, основан на применении созданного в IBM специального низкотемпературного сканирующего туннельного микроскопа, способного работать в широком диапазоне магнитных полей – вплоть до полей в 140 тысяч раз сильнее земного.

Исследователи сначала устанавливают атомы в нужное положение, а затем измеряют взаимодействия между их спинами, являющимися первоосновой магнетизма.

«Мы открыли окно в мир атомного магнетизма, – заявил Андреас Хайнрих, сотрудник исследовательского центра IBM в Альмадине (Сан-Хосе, штат Калифорния). – Теперь мы можем управлять магнитными взаимодействиями между атомами с помощью точно сконструированных структур».

IBM Research разработала новый метод исследования магнитных свойств вещества
Рис. 1. Изображение на экране сканирующего туннельного микроскопа области 28×28 нм поверхности террасированной меди и нитрида меди. Плоские участки – это медь, штрихованные слегка утопленные области – фрагменты нитрида меди, округлые выступы на поверхности – управляемые атомные структуры (атомы марганца)
IBM Research разработала новый метод исследования магнитных свойств вещества
Рис. 2. Концептуальная диаграмма спектроскопии переворота спина. Электроны (красный цвет) туннелируются с заостренного электрода микроскопа. При значении энергии электрона, превышающей определенный порог, спин атома меняет ориентацию на противоположную
IBM Research разработала новый метод исследования магнитных свойств вещества
Рис. 3. Изображение поперечного сечения поверхности с нитридом меди (вверху) и после размещения на ней атомов марганца (внизу)

В ходе экспериментов исследователи из IBM создавали цепочки длиной до 10 атомов марганца на поверхности с высокими изоляционными характеристиками (рис. 1) и следили за изменением магнитных свойств по мере добавления новых атомов. Выяснилось, что цепочки с четным числом атомов не имеют суммарного магнетизма, в то время как цепочки с нечетным числом таковым обладают.

Джан-Люка Бона (Gian-Luca Bona), управляющий лабораторией IBM по науке и технологиям в Альмадине, отметил, что такого рода пионерские исследования жизненно важны для развития компьютерной отрасли в долгосрочной перспективе. «Где-то в течение ближайших двух десятков лет станет практически невозможно продолжать улучшать характеристики транзисторов и других традиционных микроэлектронных схемных элементов путем простого сокращения их размеров. Понадобятся альтернативные структуры, а возможно, и иные подходы к вычислениям. Технологии, подобные этой, могут дать нам знания, необходимые для создания таких альтернатив», – резюмировал он.

Предлагаемый метод представляет собой развитие разработанного этой же группой ученых IBM Research в конце 2004 г. метода спектроскопии переворота спина (рис. 2), позволяющего измерять магнитные свойства отдельных атомов. В тогдашних экспериментах использовалась изоляционная поверхность из оксида алюминия, однако перемещать атомы по такой поверхности было невозможно. В действительности с тех пор как эта группа исследователей в 1990 г. впервые продемонстрировала применение сканирующего туннельного микроскопа для перемещения и позиционирования отдельных атомов на металлической поверхности, никто не сумел реализовать подобное на изоляционных поверхностях из-за сложности их атомной структуры, шероховатости, подверженности повреждениям и сильно меняющихся сил притяжения к атомам. Для экспериментов же по измерению магнитных свойств атомов нужна именно такая поверхность, поскольку многочисленные электроны проводимости металла легко подавляют и компенсируют любые изменения спинового магнетизма изучаемых отдельных атомов.

Успех экспериментов по спектроскопии спинового возбуждения стал возможен благодаря тому, что исследователи из IBM научились покрывать участки гладкой поверхности металлической меди одноатомными слоями изоляционного нитрида меди (рис. 3).

Помимо изучения фундаментальных свойств магнитных материалов, новый метод, по мнению его создателей, может быть использован в будущем и для других целей, например для исследования пределов возможностей магнитных устройств хранения данных или для точной дозировки энергии, необходимой для изменения коллективной ориентации спинов небольшого числа взаимодействующих посредством магнетизма атомов.

Разработка IBM может использоваться и для изучения возможностей «спиновых проводников» и спиновой версии «молекулярного каскада» – созданной этой же группой в 2002 г. молекулярной системы, которая представляла собой действующую компьютерную схему примерно в 260 тысяч раз меньших размеров, чем такая же в традиционном кремниевом исполнении (что, нужно отметить, соответствует 50 годам сокращения размеров по закону Мура).

Весьма перспективен метод и в исследовании возможностей применения специально сконструированных спиновых взаимодействий в квантовых информационных системах, в частности, в квантовых компьютерах.

И здесь в дополнение или в качестве альтернативы традиционным электрическим токам в игру вступает спинтроника (от spin transport electronics) – новая отрасль электроники, использующая квантовые свойства электронов и атомов и связанный с ними магнетизм. Спин электрона может быть направлен в магнитном поле либо «вверх», либо «вниз». Если спины в веществе выстроены одинаково – материал становится магнитным.

Обычные постоянные магниты делаются из ферромагнитных материалов, например железа или кобальта. В таких материалах спины атомов имеют тенденцию выстраиваться в одном направлении, создавая внешнее магнитное поле, которое можно измерять. Другие магнитные материалы, такие как марганец, называются антиферромагнитными, поскольку в них спины соседних атомов стремятся выстроиться в противоположных направлениях. Они не создают внешнего магнитного поля, но обладают интересными с точки зрения спинтроники свойствами.

Нынешний результат – очередной в целом ряду достижений IBM Research в области исследований наноструктур. Напомним, что двое ученых из швейцарской лаборатории IBM в 1986 г. были удостоены Нобелевской премии по физике за изобретенный в начале 80-х годов сканирующий туннельный микроскоп. В последние 16 лет сотрудники лаборатории IBM в Альмадине выполнили ряд пионерских работ по использованию сканирующего туннельного микроскопа для построения из атомов точно рассчитанных структур, которые дают возможность лучше понять фундаментальные явления атомного масштаба и могут найти применение в информационных технологиях. Вот лишь некоторые из результатов группы: создание электронного переключателя с единичным атомом в качестве активного элемента; изобретение нового вида электронной ловушки – «квантового корраля»; открытие эффекта «квантового миража», позволяющего передавать информацию картиной квантовых электронных волн.

0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT