Физиците са показали, че магнитните вихри могат да бъдат възбудени по-лесно

Магнитните вихри са микроскопични области на магнетизирано вещество със специално разположение на вектора на намагнитване. В центъра на вихъра, магнетизационният вектор е ориентиран перпендикулярно на повърхността и по краищата на тези вектори образуват структура, наподобяваща вихър или фуния. Пример за магнитен вихър е показан на илюстрацията по-горе.

Векторът на намагнитване от своя страна е свързан със спина, квантовата характеристика на отделните частици. Точно управлението на магнитните вихри чрез спин или по друг начин се счита от учените за основа на електрониката на бъдещето - спинтроника. В спинтрониката за съхраняване и обработка на информация не е важно да се преместват електрони от място на място, да не тече електрически заряд - ключовата роля се играе от въртенето и движението на електрони с определен спин, спинов ток. Информацията може да се предава не чрез зареждане, а чрез завъртане и не е задължително с пренасянето на заредени частици някъде - те самите могат да останат на място, но гърбовете им ще се обърнат, предавайки информация „по верига“.

Спинът като носител на единица информация е много интересен, тъй като неговата обработка (например смяна на компютъра 0 на 1 чрез завъртане със завъртане) изисква много по-малко енергия и време, отколкото подобна операция в съвременната електроника. Поради това микросхемите, работещи с електронен спин, ще се нагряват по-малко и освен това редица изчисления показват, че те ще бъдат по-малко чувствителни към радиация. Spintronics има добри шансове да измести устройствата, с които сме свикнали, но за това учените трябва първо да проучат много въпроси както от фундаментален, така и от приложен характер.

Permalloy, сплав от желязо и никел, е патентована през 1914 г. и оттогава се използва активно в електротехниката. Сърцевините на трансформаторите (на фигурата), заедно с екраниращата оплетка за кабелите, са направени и продължават да бъдат направени от нея. Използвал се е и в касетофони - сега практически излязъл от употреба. Но въпреки повече от почтената си история, пермалой има добри шансове да се превърне в основата на електрониката на бъдещето.

Spintronics изисква нови начини за съхранение и обработка на информация. Обещаващи инструменти за това са магнитните вихри, които могат да се използват както за съхраняване на информация (0 - усукана по посока на часовниковата стрелка, 1 - обратно на часовниковата стрелка, или 0 - ядрото е намагнитено нагоре, 1 - надолу), така и за обработката му - различни вихри, те си взаимодействат по различен начин със спиновия ток (това е потокът на електрони, при който фракцията на електрони с определен спин е по-голяма от друга), което прави възможно създаването на сложни устройства до изкуствени невронни мрежи. В допълнение, използвайки тези вихри, е възможно да се създадат наногенератори на променлив сигнал, които могат да се използват в бъдеще в телекомуникационни приложения.

Как беше направено

Разбира се, тази комбинация от материали не е избрана случайно. Пермалоят е изразен феромагнетик и способността му да се магнетизира при липса на външно магнитно поле е от основно значение. Ето защо в него могат да се възбуждат магнитни вихри, в които се "извиват" само малките "магнити" (по-точно магнитни моменти), които изграждат този материал. Освен това пермалоят отдавна е известен в индустрията - открит е в началото на 20-ти век и оттогава се използва активно, например при производството на трансформаторни плочи.

Висмутовият селенид от своя страна е топологичен изолатор: той е способен да пропуска електрически ток изключително по повърхността си. Този ефект не трябва да се бърка с ефекта на кожата, в случая, когато високочестотният ток практически не се разпространява вътре в проводника: топологичният изолатор не позволява движението на заряди в случай на нискочестотен и дори постоянен ток. Освен това свойствата му се дължат на чисто квантови ефекти. Освен това характеристиките на топологичния изолатор не дават възможност на електроните да променят своето въртене по време на движение, което го прави идеален проводник на спинов ток.

В хода на изследването беше установено, че за възбуждане на магнитни вихри поради топологичен изолатор е необходимо да се използва променлив ток, тъй като постоянният ток практически не ги засяга. Когато се прилага променлив ток, се установява остър резонансен характер на вихровото възбуждане - при приближаване до определена честота на тока радиусът на вихъра рязко се увеличава, образувайки остър връх, чийто връх леко се измества при различна плътност на тока. Също така отбелязваме, че плътностите на тока, необходими за възбуждане на вихрите, се оказаха няколко пъти по-ниски от наблюдаваните по-рано.

„Всъщност показахме, че въртящите моменти на определена симетрия, които възникват на интерфейса Py/Bi2Se3, когато променлив ток минава покрай него, могат ефективно да възбудят магнитен вихър. В този случай величината на ефекта беше взета от експерименталната работа на нашите колеги и за него необходимите плътности на тока всъщност се оказаха много по-ниски от наблюдаваните по-рано. Трябва да се отбележи, че такива въртящи моменти могат да се наблюдават не само за Bi2Se3, но и за широк спектър от материали, сред които могат да се отбележат топологични изолатори и материали с гигантско взаимодействие Rashba. ".

Изследванията в областта на спинтрониката са от решаващо значение за развитието на съвременните технологии. Понастоящем е безспорно, че познатата ни полупроводникова електроника скоро ще спре бързото си развитие в съответствие със закона на Мур (освен това вече има първите предшественици на това). И, може би, в бъдеще цялата технология ще премине към работа не със заряди, а със завъртания на частици, практически не изразходвайки енергия за тяхната обработка и увеличавайки скоростта си с фактор хиляди. Между другото, някои изследвания в областта на магнитните хетероструктури дори спечелиха Нобелова награда и резултатите от тях вече се използват активно при производството на твърди дискове.