Oamenii de știință au surprins inversările de spin fracțiuni de secundă din interiorul unui magnet „ascuns” – o descoperire care ar putea supraîncărca tehnologia de memorie de mâine.
Oamenii de știință de la Universitatea din Tokyo au surprins ceva nemaivăzut până acum: o vizualizare cadru cu cadru a modului în care spinurile electronilor se inversează în interiorul unui antiferomagnet, un material considerat odată magnetic „invizibil”. Prin declanșarea unor impulsuri electrice ultra-rapide într-un strat subțire de mangan-staniu și urmărirea răspunsului cu flash-uri de lumină temporizate cu precizie, echipa a descoperit două mecanisme distincte de comutare. Unul se bazează pe căldura generată de curenți puternici, în timp ce celălalt inversează direct spinurile cu o încălzire minimă – un proces mult mai eficient.
O echipă condusă de Ryo Shimano de la Universitatea din Tokyo a observat direct modul în care spinurile electronilor se inversează în interiorul unui antiferomagnet, un material în care spinurile opuse se anulează reciproc. Prin capturarea acestui proces în acțiune, cercetătorii au identificat două mecanisme separate de comutare. Unul dintre ele prezintă o cale practică către memorie magnetică și dispozitive logice ultra-rapide, non-volatile, care ar putea depăși tehnologiile actuale.
Rezultatele au fost publicate în Nature Materials.
De la cartelele perforate de hârtie și barele metalice la tuburile vidate și tranzistoare, calculatoarele moderne s-au bazat întotdeauna pe sisteme fizice pentru a reprezenta 0 și 1. Pe măsură ce cererea de putere de procesare continuă să crească, cercetătorii caută alternative mai rapide și mai eficiente. Antiferomagneții oferă o opțiune promițătoare. Deși par magnetic neutri, deoarece spinurile lor se echilibrează, structura lor magnetică internă poate fi totuși utilizată pentru a stoca informații digitale în moduri noi.
„Ani de zile”, spune Shimano, „oamenii de știință au crezut că antiferomagneții precum Mn 3 Sn (mangan trei staniu) ar putea comuta magnetizarea extrem de repede. Cu toate acestea, nu era clar dacă această comutare non-volatilă ar putea fi finalizată în câteva până la câteva zeci de picosecunde sau cum s-a schimbat cu adevărat magnetizarea în timpul procesului de comutare.”
Căldură sau curent? Rezolvarea misterului comutării
O întrebare centrală a fost ce anume determină inversarea spinului. Curentul electric inversează direct spinurile sau căldura generată de curent provoacă schimbarea? Pentru a afla, echipa a conceput un experiment pentru a urmări desfășurarea procesului în timp real. Au fabricat o peliculă subțire de Mn 3 Sn și au trimis impulsuri electrice scurte prin ea. În același timp, au iluminat proba cu flash-uri de lumină ultra-rapide temporizate cu precizie, ajustând întârzierea dintre impulsul de curent și impulsul de lumină. Această abordare le-a permis să asambleze o secvență rezolvată în timp, arătând cum a evoluat magnetizarea moment cu moment.
„Cea mai dificilă parte a proiectului”, își amintește Shimano, „a fost măsurarea modificărilor infinitezimale ale semnalului magneto-optic. Cu toate acestea, am fost surprinși cât de clar am putut observa în cele din urmă procesul de comutare odată ce am stabilit metoda corectă.”
Au fost dezvăluite două mecanisme distincte de comutare a spinului
Experimentul a produs ceva fără precedent: o vizualizare cadru cu cadru a modificărilor modelului magnetic în timpul comutării. Imaginile au arătat că comportamentul depinde de puterea curentului aplicat. Când curentul a fost puternic, comutarea a fost determinată de efectele de încălzire. Cu toate acestea, în condiții de curent mai slab, spinurile s-au inversat cu o încălzire minimă sau deloc. Această a doua cale este deosebit de semnificativă, deoarece sugerează o modalitate de a controla rapid și eficient stările magnetice fără a pierde energie sub formă de căldură. Acest mecanism de comutare fără căldură ar putea servi drept fundație pentru dispozitivele spintronice de generație următoare utilizate în calcul, comunicații și electronică avansată.
Pentru Shimano, constatările indică un nou teritoriu științific care așteaptă încă să fie explorat. Depășirea limitelor comutării picosecundelor
„Cea mai rapidă observație rezolvată în timp a comutării electrice în Mn₃Sn este de 140 de picosecunde, limitată în principal de cât de scurte pot fi generate impulsurile de curent în configurația noastră de dispozitiv. Cu toate acestea, constatările noastre sugerează că materialul în sine ar putea comuta și mai repede în condiții adecvate. În viitor, ne propunem să explorăm aceste limite finale prin crearea de impulsuri de curent și mai scurte și prin optimizarea structurii dispozitivului.”
Deși măsurătorile actuale sunt plafonate la 140 de picosecunde, limita reală de viteză a materialului poate fi și mai scurtă. Prin rafinarea instrumentelor experimentale și a designului dispozitivului, cercetătorii speră să descopere cât de repede poate merge în cele din urmă comutarea spinului antiferomagnetic.