Взгляд в магнитное будущее

Когда вода замерзает в лед, молекулы воды вместе с атомами водорода и кислорода образуют сложную структуру. Вода и лед – это разные фазы, и превращение воды в лед называется фазовым переходом. В лаборатории можно получить кристаллы, в которых элементарные магнитные моменты, так называемые спины, образуют структуры, сравнимые со льдом. Поэтому исследователи также называют эти структуры спиновым льдом. “Мы создали искусственный спиновый лед, который, по сути, состоит из наномагнитов, которые настолько малы, что их направление может меняться исключительно под воздействием температуры“, – объясняет физик Кевин Хофхуис, который только что защитил докторскую диссертацию в PSI и теперь работает в Йельском университете в США.

В используемом материале наномагниты расположены в гексагональных, т.е. шестиугольных структурах – узор, известный из японской плетеной корзины под названием “Кагоме”. “В искусственном спиновом льду Кагоме магнитные фазовые переходы были предсказаны теоретически, но до сих пор не наблюдались“, – говорит Лаура Хейдерман, руководитель лаборатории многомасштабных экспериментов с материалами в PSI и профессор ETH Zurich. “Обнаружение фазовых переходов стало возможным благодаря использованию новейшей литографии при производстве материала в чистой комнате PSI, а также специального метода микроскопии в швейцарском источнике синхротронного излучения SLS“.

Хитрость: крошечные магнитные мостики

Для своих образцов исследователи использовали соединение никеля и железа, известное как мю-металл или пермаллой, которое было нанесено в виде тонкой пленки на кремниевую подложку. На этой поверхности с помощью литографии был многократно сформирован маленький шестиугольный узор наномагнитов, причем длина наномагнита составляла около половины микрометра (миллионная доля микрометра), а ширина – шестая часть микрометра.

Но этим дело не ограничилось. “Хитрость заключалась в том, что мы соединили наномагниты крошечными магнитными мостиками, – говорит Хофхуис, – Это вызвало небольшие изменения в системе, которые позволили нам настроить фазовый переход так, чтобы мы могли его наблюдать. Однако эти мосты должны были быть очень маленькими, потому что мы не хотели слишком сильно менять систему“.

Тот факт, что это начинание увенчалось успехом, до сих пор поражает физиков. Потому что при создании наномостов он достиг пределов технически возможного пространственного разрешения современных методов литографии. Размер некоторых мостов составляет всего 10 нанометров (миллиардные доли метра). В целом, масштаб этого эксперимента впечатляет, говорит Хофхуис: “В то время как самые маленькие структуры на нашем образце находятся в диапазоне 10 нанометров, инструмент для их визуализации – SLS – имеет окружность почти 300 метров“. Хейдерман добавляет: “Таким образом, структуры, которые мы изучаем, в 30 миллиардов раз меньше, чем инструменты, которые мы используем для их изучения“.

Микроскопия и теория

В SLS команда использовала специальный метод микроскопии, позволяющий наблюдать магнитное состояние каждого наномагнита в массиве, называемый фотоэмиссионной электронной микроскопией на линии пучка SIM. Их активно поддерживал Армин Клейберт, главный ученый в SIM. “Мы смогли снять видео, показывающее, как наномагниты взаимодействуют друг с другом, и это было исключительно в зависимости от температуры“, – резюмирует Хофхуис. Первоначальные изображения были простыми черно-белыми контрастами, которые время от времени менялись. На их основе исследователи смогли определить конфигурацию спинов, т.е. ориентацию магнитных моментов.

“Если вы посмотрите на такое видео, вы все еще не поймете, в какой фазе вы находитесь“, – объясняет Хофхуис. Это потребовало теоретических соображений, в которые внес свой вклад Питер Дерлет, физик PSI и титулярный профессор ETH Zurich. Его моделирование показало, что теоретически должно происходить во время фазовых переходов. Только сравнение записанных изображений с этими симуляциями доказало, что микроскопически наблюдаемые процессы действительно были фазовыми переходами.

Манипулирование фазовыми переходами

Новое исследование – это еще один успех в изучении искусственного спинового льда, которым группа Лауры Хейдерман занимается уже более десяти лет. “Самое замечательное в этих материалах то, что мы можем подстраивать их под себя и непосредственно видеть, что происходит внутри них“, – говорит физик. “Мы можем наблюдать всевозможные захватывающие формы поведения, включая фазовые переходы и порядки, которые зависят от расположения наномагнитов. Это невозможно со спиновыми системами в обычных кристаллах“. Хотя в настоящее время эти исследования носят чисто фундаментальный характер, ученые уже думают о возможных применениях. “Теперь, когда мы знаем, что можем видеть и манипулировать различными фазами в этих материалах, открываются новые возможности“, – говорит Хофхуис.

Управление различными магнитными фазами может быть интересно для новых типов обработки данных. В PSI и других институтах ведутся исследования того, как сложность искусственного спинового льда может быть использована для новых типов высокоскоростных компьютеров с низким энергопотреблением. “Это вдохновлено обработкой информации в мозге и использует преимущества того, как искусственный спиновый лед реагирует на стимул, такой как магнитное поле или электрический ток“, – объясняет Хейдерман.

Интересное на эту тему: Скрытые энергопотребители: оставление зарядного устройства в розетке может обойтись очень дорого