Naukowcy ujawniają sposób wykorzystania antyferromagnesów do tworzenia urządzeń do przechowywania danych bez ruchomych części.
Naukowcy zmienili technologię urządzeń pamięci, wykorzystując materiały antyferromagnetyczne i oktupole magnetyczne, uzyskując duże prędkości i niskie zużycie energii, torując drogę mniejszym, bardziej wydajnym urządzeniom.
Zaawansowana pamięć magnetyczna
Fizycy z RIKEN pokazali przełomową metodę tworzenia ultraszybkich i energooszczędnych urządzeń pamięci poprzez zastąpienie tradycyjnych materiałów magnetycznych innowacyjnymi alternatywami.
W standardowych dyskach twardych dostęp do danych uzyskuje się poprzez fizyczne przesuwanie dysku magnetycznego. Ten ruch mechaniczny nie tylko spowalnia proces, ale także sprawia, że system jest podatny na zużycie i awarie.
Zalety urządzeń Domain Wall
Bardziej wydajne rozwiązanie polega na wykorzystaniu prądów elektrycznych do przesuwania granic między domenami magnetycznymi – małymi obszarami w materiale, w których momenty magnetyczne są konsekwentnie wyrównane. Te „urządzenia domenowe” mają ogromny potencjał w zakresie tworzenia szybszych systemów pamięci o niskim poborze mocy, bez konieczności stosowania części mechanicznych.
„W przypadku dysku twardego mamy do czynienia z małą cewką, którą należy fizycznie przesuwać” – wyjaśnia Yoshichika Otani z RIKEN Center for Emergent Matter Science. „Ale w przypadku urządzeń opartych na ścianach domenowych nie jest potrzebny żaden ruch mechaniczny. Przeciwnie, ściana domeny porusza się i można czytać i zapisywać informacje elektrycznie, bez żadnego ruchu mechanicznego.
Wyzwania związane z domenami ferromagnetycznymi
Urządzenia ścian domenowych badano przy użyciu domen ferromagnetycznych, w których wszystkie spiny w domenie są do siebie równoległe. Wymagają one jednak dużej gęstości prądu, aby przesuwać ściany domeny, co skutkuje wysokim zużyciem energii. Domeny generują również rozproszone pola magnetyczne, co utrudnia upchnięcie ich wielu na małej przestrzeni, co utrudnia miniaturyzację.
Domeny antyferromagnetyczne, w których spiny są ułożone w naprzemiennych kierunkach, mogłyby rozwiązać oba te problemy. Jednak ich słabe pola magnetyczne netto są mieczem obosiecznym — są korzystne dla miniaturyzacji, ale utrudniają manipulowanie domenami i ich wykrywanie.
Przełom w materiałach antyferromagnetycznych
Teraz Otani i jego współpracownicy zademonstrowali nowe podejście do realizacji urządzeń domenowych opartych na materiałach antyferromagnetycznych, które przezwycięża tę trudność.
Sekret ich podejścia polegał na zastosowaniu niewspółliniowych antyferromagnesów, w których momenty podsieciowe tworzą klasterowe oktupole magnetyczne (rysunek 1). Kontrastuje to ze znacznie powszechniej używanymi dipolami magnetycznymi, które mają dwa bieguny i przypominają maleńkie magnesy sztabkowe.
Wykorzystując tę konstrukcję, zespół był w stanie przyspieszyć ściany domen do prędkości 750 metrów na sekundę, wykorzystując około jedną setną gęstości prądu potrzebnej do poruszania ścian domen ferromagnetycznych.
Odkrycie było dla zespołu miłą niespodzianką. „Nie byliśmy pewni, czy zadziała to z oktupolami” – mówi Otani. „Ale kiedy tego próbowaliśmy, faktycznie zadziałało, więc byliśmy mile zaskoczeni”.
Odniesienie: „Napędzany prądem szybki ruch ściany magnetycznej domeny oktupolowej w niewspółliniowych antyferromagnesach” autorstwa Mingxing Wu, Taishi Chen, Takuya Nomoto, Yaroslav Tserkovnyak, Hironari Isshiki, Yoshinobu Nakatani, Tomoya Higo, Takahiro Tomita, Kouta Kondou, Ryotaro Arita, Satoru Nakatsuji i Yoshichika Otani, 11 czerwca 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-48440-9
