Использование антиферромагнетиков в будущих компьютерах

Физики продемонстрировали, как информация может быть записана и считана электрически в изоляционных антиферромагнитных материалах.

Будущие компьютерные технологии на основе изолирующих антиферромагнетиков прогрессируют. Электроизоляционные антиферромагнетики, такие как оксид железа и оксид никеля, состоят из микроскопических магнитов с противоположными ориентациями. Исследователи видят в них многообещающие материалы, заменяющие современные кремниевые компоненты в компьютерах. Физики из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU) в сотрудничестве с Университетом Тохоку в Сендае в Японии и учеными, базирующимися на источнике синхротронного излучения BESSY-II в Гельмгольце-Центре в Берлине (HZB) и национальном источнике синхротронного излучения в Diamond Light Source, Великобритании, продемонстрировали, как можно электрически записать и считать данные в изоляционных антиферромагнитных материалах.

Сопоставляя изменение магнитной структуры, наблюдаемое при визуализации на основе синхротрона, с электрическими измерениями, проводимыми в JGU, можно было идентифицировать механизмы записи. Это открытие открывает путь к приложениям - от сверхбыстрой логики до кредитных карт, которые не могут быть стерты внешними магнитными полями, - благодаря превосходным свойствам антиферромагнетиков по сравнению с ферромагнетиками. Исследование было опубликовано в Physical Review Letters.

Антиферромагнитные материалы потенциально позволяют использовать элементы памяти гораздо быстрее и с большей емкостью памяти, чем те, которые доступны сейчас с обычной электроникой. Тем не менее, этими материалами очень трудно управлять и детектировать, что затрудняет операции записи и чтения на устройствах. В своей нобелевской речи 1970 года Луи Неель (Louis Néel) назвал антиферромагнитные материалы интересными, но бесполезными. Считалось, что этими материалами можно манипулировать только очень сильными магнитными полями, которые не могут быть легко созданы и требуют, например, использования сверхпроводящих магнитов. Ситуация резко изменилась за последние несколько лет, и отчеты показывают, что с помощью электрических токов можно эффективно управлять антиферромагнитными материалами, включая даже изоляторы.

«Мы знаем, что скоро достигнем пределов традиционной электроники на основе кремния из-за постоянного технологического совершенствования. Это главная причина, побуждающая к исследованиям в области спинтроники, цель которой - использовать не только заряд электронов, но и степень свободы вращения, удваивая передаваемую и вычисляемую информацию, - говорит доктор Лоренцо Балдрати (Lorenzo Baldrati), член научного общества им. Марии Склодовской-Кюри в Университете Майнца и первый автор статьи. - Наше исследование показывает, что антиферромагнитные изоляторы позволяют эффективно записывать и считывать данные электрически, что является ключевым шагом с точки зрения применения».

Эту теорию разработала профессор Елена Гомонай из группы профессора Хайро Синова (Jairo Sinova) из JGU. «Мне понравилась совместная работа коллег-экспериментаторов в Майнце. Было интересно увидеть, как теория и эксперимент помогают друг другу открывать новые физические механизмы и явления, - сказала Гомонай. - Хотя наша работа была сосредоточена только на одной конкретной системе, ее можно считать доказательством принципа для семейства антиферромагнитных изоляторов. Мы надеемся, что глубокое понимание антиферромагнитной динамики, которого мы достигли в ходе этого проекта, будет способствовать изучению захватывающей области антиферромагнитной спинтроники и станет отправной точкой для новых совместных проектов наших групп».