Ускорить компьютер в 1000 раз: как физики приручают альтермагнетизм

Физики из Университета Ноттингема впервые смогли увидеть и подтвердить существование нового типа магнетизма - альтермагнетизма. Результаты исследования, которые опубликовал журнал Nature, показывают, как создавать совершенно новые устройства памяти, способные работать в тысячу раз быстрее современных аналогов.

При альтермагнетизме магнитные моменты в материале выстраиваются особым образом: каждый из них располагается в направлении, противоположном соседнему. При этом возникает необычное явление: кристаллическая решетка, то есть структура, в которой находятся эти моменты, поворачивается относительно соседних участков.

Руководитель проекта, профессор Питер Уэдли, сравнивает это с антиферромагнетизмом — состоянии, при котором магнитные моменты атомов строго компенсируют друг друга, выстраиваясь в противоположном направлении. Но с небольшим отличием. В классическом случае кристаллическая решетка остается неизменной, а материал внешне не проявляет магнитных свойств. Однако ключевая разница между антиферромагнетизмом и альтермагнетизмом заключается в том, что в последнем возникает "закрученность" структуры, которая добавляет новую динамику в взаимодействие моментов и изменяет симметрию материала.

Разглядеть феномен помогла установка MAX IV в Швеции. Комплекс похож на гигантский металлический бублик - в нем находится кольцевой ускоритель электронов (синхротрон), который создает рентгеновские лучи. Когда лучи попадают на магнитный материал, с его поверхности вылетают электроны. Специальный микроскоп ловит их и формирует изображение магнитной структуры, различая даже мельчайшие детали размером в несколько нанометров.

Старший научный сотрудник Оливер Амин, который руководил экспериментами, рассказал, как его команда смогла связать теоретические предсказания с реальными свойствами альтермагнитных материалов, что открыло путь к их практическому применению.

Находка ученых может полностью изменить то, как работают устройства компьютерной памяти и микроэлектроника. Сейчас для их производства используются магнитные материалы, при производстве которых выбрасывается много углекислого газа. Если заменить обычные детали на альтермагнитные, мы не только многократно увеличим скорость работы, но и перестанем зависеть от редких и ядовитых тяжелых элементов, без которых пока не обойтись в производстве ферромагнитных компонентов.

Главная особенность альтермагнетиков в том, что они берут лучшее от ферромагнетиков и антиферромагнетиков. То есть не просто ускоряют работу цифровой памяти в тысячу раз, но еще и меньше ломаются и тратят меньше энергии.