Исследовательская группа из Массачусетского технологического института совершила прорыв в управлении магнитными свойствами материалов, используя для этого не традиционные магнитные поля, а сфокусированный луч света. Их инновационный подход, основанный на применении терагерцового лазера к антиферромагнитным материалам, позволяет контролировать спиновое состояние атомов с беспрецедентной точностью. Перед учеными открываются многообещающие перспективы для создания принципиально нового поколения запоминающих устройств, отличающихся повышенной надежностью и энергоэффективностью.
Обычные магниты знакомы практически каждому, но антиферромагнетики представляют собой более сложную структуру. Магнитные свойства привычных нам материалов обусловлены тем, что спины их атомов ориентированы в одном направлении, позволяя внешнему магнитному полю оказывать на них влияние. В отличие от них, антиферромагнетики характеризуются упорядоченным, но противоположным расположением спинов соседних атомов: один "смотрит" вверх, другой – вниз, и так далее. В результате, суммарная намагниченность такого материала оказывается равной нулю.
Несмотря на отсутствие магнетизма, ученые уже давно рассматривают антиферромагнетики как перспективную основу для хранения данных будущего. Однако ключевым препятствием на пути к реализации этой идеи оставался вопрос управления их магнитным состоянием, необходимого для записи информации. Именно здесь на помощь пришла лазерная технология, предложенная исследователями из MIT.
В основе их разработки лежат терагерцовые лазеры, генерирующие свет с частотой колебаний более триллиона раз в секунду. Это высокочастотное излучение подобрано таким образом, чтобы резонировать с естественными колебаниями атомов в антиферромагнетиках. Воздействуя лазерным импульсом на материал, ученым удается целенаправленно переводить атомы в новые магнитные состояния, которые сохраняются и после прекращения воздействия света. Более того, продемонстрирована возможность столь точного управления спинами, что в итоге позволяет "записывать" информацию в конкретные микроскопические области материала. Например, определенная комбинация спинов, скажем, "вверх-вниз", может соответствовать биту "0", а противоположная ориентация – "1".
Согласно последней публикации в журнале Nature, в качестве объекта исследования был выбран распространенный антиферромагнетик – трисульфид железа-фосфора (FePS3). Этот материал переходит в антиферромагнитное состояние при экстремально низкой температуре – около -155 градусов Цельсия. Целью эксперимента стало управление этим фазовым переходом с помощью мощного терагерцового лазера. Известно, что в терагерцовом диапазоне частот многие твердые тела обладают коллективными колебаниями атомов, называемыми фононами. Используя резонансное возбуждение этих колебаний, ученые смогли вызвать переориентацию спинов, формируя в толще антиферромагнетика своего рода наномагниты, сохраняющие свою ориентацию после отключения лазера.
Соавтор исследования, Нух Гедик, отмечает: "Наша идея заключается в комбинированном воздействии: мы возбуждаем терагерцовые колебания атомов, которые, в свою очередь, взаимодействуют со спинами". Хотя попытки подобного воздействия предпринимались и ранее, принципиальное отличие новой работы MIT состоит в том, что индуцированные магнитные свойства оказываются стабильными и сохраняются значительно дольше, чем кратковременные изменения, наблюдаемые в предыдущих экспериментах, длившиеся лишь пикосекунды.
Несомненно, успешная демонстрация этого эффекта в лабораторных условиях является важным шагом на пути к практическому применению антиферромагнетиков в технологиях хранения данных. Хотя до массового внедрения этой технологии еще далеко, потенциальные преимущества весьма значительны. В отличие от традиционных магнитных носителей, антиферромагнитные запоминающие устройства будут практически невосприимчивы к воздействию внешних магнитных полей, что существенно повысит их надежность. Кроме того, они могут быть значительно меньшего размера, обеспечивая более высокую плотность записи информации, и потреблять при этом гораздо меньше энергии. Таким образом, исследование физиков из MIT открывает новые, многообещающие горизонты в области магнитных технологий.