Прорыв в физике магнетизма: ключ к энергонезависимым компьютерам

Международная группа учёных, во главе с профессорами Уго Дилом из Школы политехники Федерального института Лозанны (EPFL), Гюнтером Шпрингхольцем из Университета Иоганнеса Кеплера в Линце и Яном Минаром из Университета Западной Богемии, сделала неожиданное открытие в области материаловедения, которое может радикально изменить энергоэффективность вычислительной техники.

Исследователи обнаружили уникальные магнитные свойства в экзотическом материале — марганцем-легированном германий теллуриде (Mn-doped GeTe), относящемся к классу мультиферроиков . Эти материалы обладают способностью одновременно магнетизироваться и поляризоваться, что делает их чрезвычайно привлекательными для применения в передовой электронике и памяти нового поколения.

Однако новое исследование показало, что Mn-doped GeTe ведёт себя как ферримагнетик, что отличается от поведения обычных ферромагнетиков, таких как железо. Ферримагнетики можно представить как два магнита с немного разной силой, наложенные друг на друга. Такая особенность открывает новые перспективы в разработке технологий, где контроль магнетизма играет центральную роль.

Ключевым прорывом стало открытие метода, который повышает эффективность изменения магнитного состояния на целых шесть порядков. Исследователи отошли от традиционного использования интенсивных токовых импульсов, в пользу применения слабого переменного тока, дополненного точно таймированным минимальным 'импульсом' тока. Эта техника, напоминающая лёгкий толчок, который придаёт качелям размах, получила название 'стохастический резонанс' и открывает новые горизонты в управлении магнитными материалами.

Изменение, вызванное этим "толчком", быстро распространялось по материалу, подобно ряби на воде, благодаря чему материал ведёт себя как твёрдое тело и как жидкость одновременно, напоминая стекло. Такое поведение обусловлено коррелированным спиновым стеклом в материале, где локальные магнитные моменты находятся в стеклообразном состоянии.

Уго Дил подчеркнул, что для технологических приложений такое увеличение эффективности переключения является очень важным, поскольку в будущем это может привести к созданию компьютеров, которым для переключения одного бита потребуется в миллион раз меньше энергии, чем сейчас. Однако для физика особенно интересно коллективное поведение этих материалов, и в планах учёных проведение пространственно-временных экспериментов для изучения распространения обнаруженных возбуждений и способов их контроля.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.