Экстремальный магнетизм улучшит стабильность магнитной памяти

Глубоко под поверхностью Земли, в участке мантии, известном как переходная зона, минералы подвергаются действию давления в 15 ГПа, достаточного для превращения углерода в алмаз.

Эти экстремальные условия были воссозданы исследователями подразделения синхротронной рентгеноскопии Аргоннской национальной лаборатории Минэнергетики США, работающими с соединением кремния и гадолиния (GdSi). В эксперименте, описываемом в статье для Nature Communications, рентгеновские лучи проникали сквозь алмазный наконечник, давящий на крупицу исследуемого материала, возбуждали его компоненты и отражались, донося до ученых информацию о местоположении и энергетических состояниях атомов и электронов.

Хотя высокое давление в общем случае подавляет магнетизм, исследователи к своему удивлению обнаружили, что сжатый со всех сторон силицид гадолиния, даже потеряв 1/7 своего объема, остается магнитным.

Одной из проблем компьютерной памяти, состоящей из чередующихся слоев магнитных и немагнитных материалов, является стабильность. Несовпадение тонких слоев может вызывать большие внутренние напряжения, еще более усиливающиеся при воздействии тепла. Исчезновение магнетизма в таких условиях означает потерю цифровой информации. Поэтому устойчивый к высокому давлению материал, подобный GdSi, имеет большие перспективы в качестве основы для стабильной магниторезистивной памяти и магнитных сенсоров.

Аномальная стойкость силицида гадолиния отчасти объясняется кооперативным взаимодействием мобильных электронов и локализованных спинов. Ранние работы показали, что такие взаимодействия стабилизируют магнетизм GdSi, и теперь удалось подтвердить, что этот эффект сохраняется даже для сверхвысоких давлений.

До сих пор в таких исследованиях приходилось полагаться на непрямые методы. Использование рентгеновской дифракции позволило авторам работы непосредственно «наблюдать» за эволюцией магнитных состояний и сравнивать их с результатами теоретических расчетов. На основании полученных экспериментальных данных была численно определена структура электронных энергетических зон GdSi. Выяснилось, что одна доминирующая полоса энергий хотя и сужалась при повышении давления, но тем не менее, не пропадала совсем. Причина тому кроется в стабильной атомной структуре материала: атомы гадолиния в гексагональных решетках образуют оболочку, окружающую парные атомы кремния. Решетка создает стабильную электронную зону, которая наряду со стабильными локальными спинами и помогает сохранять магнетизм материала под колоссальным давлением.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365