Исследователи из Департамента физики экспериментально создали новый магнитный объект – магнито-ионный вихрь, или “вортон”. Работа, опубликованная в Nature Communications, открывает возможность беспрецедентного контроля над магнитными свойствами на наномасштабе при комнатной температуре, что прокладывает путь к созданию передовых магнитных устройств.
С ростом объемов обработки данных растет и потребность в энергоэффективных технологиях. Традиционные методы хранения информации используют электрические токи, что приводит к нагреву устройств и значительным потерям энергии. Альтернативным решением является управление магнитными запоминающими устройствами с помощью напряжения вместо тока, что позволяет значительно снизить энергопотребление.
Магнито-ионные материалы способны изменять свои магнитные свойства за счет перемещения ионов при изменении полярности напряжения. Однако исследования в этой области в основном касались сплошных пленок, а не отдельных наноструктур, необходимых для создания запоминающих устройств с высокой плотностью данных. При этом на субмикронном уровне возникают уникальные магнитные эффекты, такие как магнитные вихри, которые могут применяться в записи данных и биомедицине. Однако управление этими вихрями в готовых материалах зачастую требует значительных энергозатрат или оказывается невозможным.
Команда ученых из Автономного университета Барселоны (UAB), совместно с коллегами из ICMAB-CSIC, синхротрона ALBA, а также исследовательских институтов Италии и США, предложила новый подход, объединяющий магнито-ионные технологии и магнитные вихри. В результате был экспериментально создан новый магнитный объект – магнито-ионный вихрь (“вортон”), который позволяет с высокой точностью управлять магнитными свойствами наноточек.
Изменение состояния материала достигается путем извлечения ионов азота при подаче напряжения, что обеспечивает контроль с минимальными энергетическими затратами. По словам руководителя исследования Жорди Сорта, это первый в своем роде объект на наномасштабе, обладающий уникальными динамическими конфигурациями спинов, которые возникают в дискретных наноструктурах. Магнитные свойства вортонов зависят от продолжительности приложения напряжения, что позволяет генерировать различные магнитные состояния в ранее немагнитных наноточках.
Эксперименты показали, что путем точного контроля толщины магнитного слоя, создаваемого под действием напряжения, можно управлять состоянием материала – от немагнитного до вихревого или упорядоченного магнитного состояния. Это открывает новые перспективы в разработке энергоэффективных магнитных запоминающих устройств, поскольку позволяет аналоговым и обратимым способом регулировать такие параметры, как намагниченность, коэрцитивная сила и анизотропия.
Благодаря этим возможностям, вортонные структуры могут найти применение в области нейроморфных вычислений, имитируя работу синапсов в искусственных нейронных сетях. Подобно биологическим синапсам, магнитные вихри способны адаптивно изменять свои свойства в ответ на внешние воздействия, что делает их перспективными для создания спинтронных устройств нового поколения.
Помимо вычислительной техники, ученые рассматривают возможное использование вортонов в терапии и диагностике заболеваний, а также в системах защиты данных и спиновых логических устройствах. Их способность к управляемой генерации спиновых волн делает их перспективными для развития магноники – направления, изучающего распространение магнитных возбуждений в материалах.