Магниты — это круто, но они еще и раздражают
Итак, давайте на секунду поговорим о магнитах. Вы наверняка знаете основы: одноименные полюса отталкиваются, разноименные — притягиваются, а ваш холодильник обклеен милыми фигурками, потому что компании догадались, что это отличный способ продавать магниты. Классная штука.
Но вот в чем дело: обычные магниты (если говорить техническим языком — ферромагнетики) обладают своего рода «проблемой с характером». Они создают то, что ученые называют «блуждающими магнитными полями» — по сути, они постоянно излучают свои магнитные вибрации в окружающее пространство, что может мешать работе близлежащих электронных компонентов.
Конечно, это не проблема, когда вы лепите магнит на холодильник. Но вот здесь начинается самое сложное: наши электронные устройства становятся всё меньше и меньше. Ваш смартфон уже обладает большей вычислительной мощностью, чем компьютеры, отправившие астронавтов на Луну. И по мере того как мы упаковываем всё больше и больше компонентов в крошечные пространства, эти блуждающие магнитные поля становятся настоящей головной болью.
Поэтому ученые начали исследовать другой тип материалов — антиферромагнетики. Это своего рода «дзен-мастера» магнитного мира: их внутренние магнитные моменты направлены в противоположные стороны и, по сути, компенсируют друг друга. Никаких блуждающих полей, никакой драмы. Проблема в чем? Антиферромагнетики довольно... скучные. Им не хватает некоторых полезных электронных свойств, которые делают ферромагнетики такими привлекательными для создания технологий.
На сцену выходит альтермагнетизм: лучшее из двух миров
А вот здесь начинается самое интересное. Группа исследователей из Центрального университета Флориды под руководством физика Мадхаба Неупане изучает недавно признанную форму магнетизма, называемую альтермагнетизмом. И согласно их исследованию, опубликованному недавно, эта штука может оказаться именно той магической «золотой серединой», которую мы искали.
Представьте себе альтермагнетизм как вдумчивого интроверта, который каким-то образом умудрился стать душой компании. Эти материалы могут работать, не создавая этих надоедливых блуждающих магнитных полей (спасибо антиферромагнетизму!). Но в то же время они могут генерировать и обнаруживать так называемые спиновые токи — по сути, поток спинов электронов через материал.
Почему это важно? Дело в том, что наши нынешние компьютеры полностью полагаются на движение электрического заряда для обработки информации. Но у электронов есть еще одно фундаментальное свойство — «спин» (он не вращается буквально, но это уже совсем другой разговор), и его использование может открыть совершенно новые способы обработки данных.
Идеальный материал
Исследователи обнаружили признаки альтермагнетизма в материале под названием Co₁/₄TaSe₂, название которого трудно выговорить после пары бокалов. Это слоистый материал, содержащий магнитные атомы кобальта; он прятался у всех на виду, ожидая, пока кто-нибудь присмотрится повнимательнее.
Особенность этого материала заключается в его структуре. Слои слабо связаны друг с другом, а это значит, что исследователи могут разделять их и повторно соединять в очень тонкие структуры. Это похоже на конструирование из невероятно тонких и гибких листов, которые можно располагать как угодно. Это делает его идеальным для тонкопленочных устройств, значимость которых в электронике постоянно растет.
Как вообще обнаружить нечто столь странное?
А вот здесь наука становится по-настоящему крутой (под «крутой» я имею в виду «требует оборудования, которое стоит дороже большинства домов»).
Команда использовала метод, называемый фотоэмиссионной спектроскопией с угловым разрешением, или ARPES. По сути, это способ измерить энергию и движение электронов, направляя на них свет и анализируя отраженное излучение. Представьте себе сонар, только для электронов.
Первые измерения показали нечто интригующее: в электронных зонах материала наблюдалось отчетливое расщепление. Но чтобы окончательно подтвердить, что они имеют дело именно с альтермагнетизмом, им пришлось копнуть глубже — буквально в спиновые свойства этих электронов.
Они использовали ARPES с разрешением по спину — это как обычная версия, но с «суперспособностями», позволяющими измерить, как именно вращаются электроны. И вот оно: разделенные электронные состояния имели противоположную спиновую поляризацию, что именно то, чего ожидаешь от альтермагнетизма.
Сложность заключалась в том, что методы фотоэмиссии невероятно чувствительны к состоянию поверхности. Даже малейшее загрязнение могло скрыть искомые сигналы. Поэтому коллегам пришлось создавать образцы чрезвычайно высокого качества, а команде Неупане — тщательно проверять каждый из них на чистоту поверхности перед исследованием.
Что это значит для ваших будущих гаджетов?
От этих перспектив я начинаю немного восторгаться.
Неупане предполагает, что альтермагнитные материалы, такие как Co₁₄TaSe₂, в конечном итоге могут быть использованы в спинтронике (электронике, использующей спин электрона), сверхбыстрой памяти, терагерцовых сетях и энергоэффективной электронике. Это довольно внушительный список технологий будущего.
Представьте себе компьютеры, которые не перегреваются, потому что не тратят столько энергии впустую. Представьте устройства памяти, которые могут переключаться между состояниями почти мгновенно. Представьте электронику, работающую на принципах, которые мы только начинаем понимать.
Революционизирует ли это ваш смартфон уже в следующем году? Скорее всего, нет. Но наука часто движется маленькими шагами, которые в итоге превращаются в гигантские скачки. И открытие того, что альтермагнетизм реален — что мы можем наблюдать и измерять его в реальных материалах — это определенно один из таких маленьких шагов.
Будущее вычислительной техники может оказаться магнитным так, как мы и не ожидали. И, честно говоря, мне не терпится увидеть, к чему это приведет.
Источник: ScienceDaily — A new kind of magnetism could unlock faster, more efficient computers