В MIT создали технологию памяти, неуязвимую для магнитных полей

Физики MIT создали новый тип лазера для намагничивания материалов, с помощью которого можно будет радикально улучшить системы хранения данных. Команда учёных впервые смогла повлиять на структуру материала на атомном уровне, используя только световые импульсы.

Все привычные нам магниты работают по принципу ферромагнетизма – их атомы ориентированы в одном направлении, поэтому они реагируют на внешние магнитные поля. Антиферромагнетики же устроены совсем иначе: спины их атомов поочерёдно направлены в противоположные стороны. Такая структура делает материал полностью невосприимчивым к внешним магнитным полям.

В антиферромагнитном чипе памяти информация записывается прямо в атомную структуру материала. Когда создают такой чип, в нём формируют микроскопические "домены", где ориентация спина каждого атома выступает аналогом "1" или "0" в двоичном коде. В отличие от современных технологий хранения данных, антиферромагнитные устройства памяти не боятся помех от случайных магнитных полей.

Донер-профессор физики MIT Нух Гедик объясняет особенность антиферромагнитных материалов: "Они не реагируют на случайные магнитные поля, что одновременно и хорошо, и плохо. Невосприимчивость к слабым магнитным полям сильно мешает нам ими управлять".

Лаборатория Гедика исследует необычные квантовые явления и разрабатывает новые методы работы с веществом на микроуровне. В ходе экспериментов выяснилось, что характер взаимодействия спинов влияет на колебательные процессы в структуре вещества. Исследователи выдвинули гипотезу: если вызвать колебания на естественной частоте, можно нарушить существующее выравнивание спинов. В результате частицы начнут интенсивнее вращаться в одном направлении, создавая устойчивое намагниченное состояние.

"С помощью света мы изучаем фундаментальные свойства веществ", – объясняет Гедик. "Нас интересует природа антиферромагнетизма и возможность трансформировать вещество, меняя характер взаимодействия его составляющих".

В исследовании применили терагерцовый лазер с частотой колебаний более триллиона раз в секунду. Прецизионная настройка излучения позволила влиять на ориентацию спинов и создавать новые магнитные конфигурации. Так впервые удалось найти способ управления антиферромагнитными структурами.

Для опытов применяли образец FePS3, созданный в Сеульском национальном университете. Вещество переходит в антиферромагнитную фазу при температуре около 118 кельвинов (-247 градусов по Фаренгейту). Группа MIT поместила образец в вакуумную камеру и охладила его ниже этого порога.

Для фокусировки терагерцовых частот исследователи пропустили через органический кристалл пучок ближнего инфракрасного излучения. Такой подход обеспечил максимальную точность воздействия на изучаемый объект.

Чтобы подтвердить эффективность метода, на образец дополнительно направили два инфракрасных лазера с противоположной поляризацией. Если бы наблюдаемые изменения не были вызваны терагерцовым импульсом, интенсивность передачи осталась бы прежней.

Многократные повторения эксперимента показали стабильный результат: терагерцовый импульс неизменно вызывал желаемый эффект. Особенно примечательным оказалось то, как долго сохранялось новое состояние после прекращения лазерного воздействия.

"До сих пор считалось, что управлять антиферромагнитными структурами практически невозможно", – отмечает Гедик. "Теперь у нас появились инструменты для их точной настройки и модификации".

Результаты исследования опубликованы 18 декабря 2024 года в журнале Nature в статье "Terahertz Field-Induced Metastable Magnetization Near Criticality in FePS3" .