Росіяни замахнулися на вічну пам'ять
Фізичний факультет МГУ. Фотографія: wikimedia commons.
Вчені з МДУ і РАН розвивають спінтроніці і магноніку — нові галузі квантової електроніки
Ефективні акумулятори і пам'ять з нульовим енергоспоживанням стали реальнішими завдяки дослідженням фериту вісмуту, проведеним російськими вченими спільно з їхніми закордонними колегами.
Одна з найцікавіших завдань, які вирішує сучасна електроніка, — це створення дуже швидких пристроїв без високих втрат енергії у вигляді тепла. Вважається, що в перспективі нас чекають акумулятори без хімічних реакцій, які переводять електрику в енергію постійного магніту і назад, Магніторезистивний пам'ять з нульовим енергоспоживанням і майже вічним ресурсом, досконаліші, ніж зараз, магнітні головки запису в жорстких дисках, а також оптичні пристрої нанометрових масштабів. Ключем до інновацій подібного типу є управління спинами часток у функціональних матеріалах.
Перемикаючи спини (точніше, їх напрямки), можна міняти магнітне або електричне стан речовини.Здійснити перемикання спинив дуже просто, швидко і без втрат енергії можна шляхом магнітного, електричного або механічного впливу. З ідеї з спинами народилися два проривних напрямки в електроніці — спінтроніка (в ній використовується заміна фізичного струму електронів на «ток» їх спинив) і магноніка (вивчає спінові хвилі — поширюються в часі обурення магнітних властивостей матеріалу, а по суті — напрямів спинив). Особливість спінових хвиль — їх довжина на порядки менше, ніж світлових хвиль при тій же частоті. На принципах спінтроніки або магнонікі будуть засновані всі перераховані вище пристрої.
Функціональні матеріали для цих областей в останні роки викликають високий інтерес — приблизно кожні п'ять років кількість присвячених їм публікацій подвоюється.
Біля витоків напрямки ще в 1950–1960-х роках стояли радянські вчені.
Лев Ландау та Євген Лівшиць сформулювали необхідні умови магнітоелектричного ефекту — тобто ефекту, при якому електричне поле викликає в матеріалі намагніченість, а магнітне поле — електричну поляризацію. У 1959 році учень Ландау Йосип Дзялошинський вказав на оксид хрому (Cr2O3) як на потенційний магнітоелектрік, а через рік відповідний ефект у цьому речовині (він проявляється нижче 34 ° С) був виявлений Д.Н. Астровим.Ренесанс інтересу до матеріалів з магнітоелектричним ефектом при більш високих температурах (а це важливо для практичних додатків) стався в 1990–2000-х роках. Незвичайним властивостям плівок одного з таких речовин — фериту вісмуту (BiFeO3) присвячена опублікована в Nature Materials стаття, співавторами якої стали російські фахівці з МДУ і ІОФ РАН.
Ученим вдалося показати, що під дією механічних напруг магнітні та електричні властивості BiFeO3 змінюються таким чином, що він стає дуже перспективним кандидатом для пристроїв спінтроніки і магнонікі. Ферит вісмуту має цікаву особливість: під впливом внутрішніх електричних полів в ньому утворюються так звані спінові циклоїди — структури, спини в яких утворюють макроскопічні спіралі. «Уявіть, що замість того, щоб фізично згинати кристал, ми» зігнули «напряму магнітних моментів атомів (спинив) у ньому таким чином, що вони утворили спіраль, — пояснює доцент фізичного факультету МДУ Олександр П'ятаков, який брав участь в дослідженні. — Така спіраль подібна зведеною пружині, але це не механічна пружина, а магнітна ».
Магнітні «пружини» володіють новими властивостями, не властивими однорідно намагнічених речовині.
Крім реакції на магнітне поле вони набувають чутливість до електричного поля і механічним напруженням.
«Практична користь від цього — перебудовуючи форму» пружин «за допомогою напруг, що виникають у плівках фериту вісмуту, можна змінювати магнітоопір спінових клапанів (сендвічеобразние структури, використовувані в жорстких дисках і спінтроніці), а також впливати на умови поширення спінових хвиль та мікрохвильові властивості матеріалу (це вже з області магнонікі) », — говорить П'ятаков. Основний експеримент був проведений французькими вченими, які звернулися до своїх російських колег за допомогою в теоретичному поясненні подібних перебудов: вони чомусь відбувалися тільки в тонких плівках, але не в крупному монокристалі. Теорія ж чітко вказала на причину — «пружини» в тонких плівках і монокристалле різні за своєю структурою — і обгрунтувала такі відмінності. «З Анатолієм Костянтиновичем Звездин з ІОФ РАН ми цей напрям розвивали давно і були готові до тих результатів, які надіслали французи, — розповідає П'ятаков. — Ми подивилися на них і сказали: «А, так це те, що потрібно!».
На фізичному факультеті МГУ матеріали на основі фериту вісмуту досліджують не тільки в теорії, але і в експерименті: раніше в проблемній лабораторії магнетизму їх вивчали за допомогою сильних магнітних полів.
«Опублікована в Листах в ЖЕТФ цю тему стаття — одна з найбільш цитованих в історії журналу», — зазначає Олександр П'ятаков.
Джерело: Антон Кузнецов, gazeta.ru.
© Ноосфера
