Фізики навчилися записувати інформацію в магнітні вузли

Вчені освоїли закручування і розв'язання мікроскопічних магнітних вузликів. Поступові вдосконалення цієї технології незабаром приведуть до створення електронних пристроїв з великим об'ємом пам'яті. У статті в журналі Science, фізики описують свій експеримент: дослідникам вдалося створити скірміони на тонкій магнітній плівці із паладію та заліза, розташованій на кристалі іридію.

Скірміони - це маленькі вихори, створювані кількома атомами, кожен з яких завдяки спіну працює як маленький магніт. Спін - це власний момент імпульсу елементарних частинок, має квантову природу і не пов'язаний з переміщенням частинки як цілого.

Дія зовнішнього магнітного поля, як правило, призводить до вирівнювання атомів-магнітів в одному напрямку, але у випадку зі скірміонами вектор намагніченості атомів утворює мікроскопічний вихор.

При цьому "завитки" не можуть розпуститися, оскільки будь-які магнітні збурення вплинуть лише на розташування атомних спінів, але скірміони залишаться закрученими в будь-якому випадку. Ця властивість називається топологічною стійкістю і проявляється не тільки на атомному рівні.

Багатьом ще з шкільної лави відомі дивовижні властивості так званої стрічки Мебіуса: якщо почати креслити лінію з однією зі сторін цієї конструкції, то на інший бік можна перейти, не відриваючи олівця. Це можливо завдяки особливій конструкції - стрічку закручено лише наполовину.

"Топологічна стійкість завжди цікавила вчених, оскільки з її допомогою можна створювати найбільш досконалі носії інформації. Звичайні магнітні запам'ятовуючі пристрої, такі як жорсткий диск, зберігають інформацію у вигляді цифрових бітів, які приймають значення "0" або "1". Ці стани на фізичному рівні визначаються намагніченістю окремих атомів. Наприклад, північний магнітний полюс може дивитися вгору або вниз. Але якщо атоми упакувати занадто щільно, або перегріти всю поверхню, то магнітне поле може дестабілізуватися", - розповідає співавтор дослідження Крістен фон Бергман (Kristen von Bergmann) з Гамбурзького університету.

Скірміони здатні забезпечити стабільність навіть при дуже щільному розташуванні атомів і високих температурах. Магнітні вузлики можуть зчитувати значення "0" або "1" в залежності від їх наявності чи відсутності.

Тут, правда, виникає інша проблема: як "розв'язати" скірміон, щоб він став нулем? Існування скірміонів було передбачено в 1960-х роках, пізніше їх зловили в магнітних матеріалах. Однак раніше вченим не вдавалося за бажанням і за допомогою магнітного поля створити і зруйнувати такі вихори.

У своїй статті, яка нещодавно вийшла в журналі Science, фон Бергман і її колеги описують свій експеримент. Дослідникам вдалося створити скірміони на тонкій магнітній плівці із паладію та заліза, розташованої на кристалі іридію.

Для початку вони взяли зразок, де атоми-магніти були збудовані стандартним чином. Потім вони використовували голку скануючого тунельного мікроскопа і передали магнітній плівці слабкий заряд електронів з певним чином поляризованими спінами. Поляризований заряд вступив у взаємодію з атомами-магнітами і закрутив їх у вузлики-скірміони.

"Кожен вузлик складався з 300 атомів і був усього кілька нанометрів в діаметрі", - каже фон Бергман.

За словами авторів роботи, скірміонний пристрій здатний зберігати в 20 разів більше інформації на одиницю площі поверхні, ніж сучасні жорсткі диски. Але до практичного застосування поки ще далеко: за раз фон Бергман і її команді вдалося створити і видалити всього чотири скірміони, до того ж застосовувана технологія працювала лише в 60% випадків. Це дуже слабкі результати, особливо якщо врахувати, що контролювати "вузлики" вдавалося лише при температурі 4,2 К (-231 градус за Цельсієм).

І все ж дане дослідження є першим експериментальним доказом того, що закручування скірміонів можна контролювати. Залишилося розібратися, як це відбувається. Дослідники сподіваються продовжити свої експерименти і фундаментальні роботи вже незабаром. !zn