Электрон — одна из фундаментальных частиц в природе, о которой мы читаем в школе. Его поведение подсказывает новые способы хранения цифровых данных.

В исследовании, опубликованном в Nano Letters, физики из Мичиганского технологического университета изучают альтернативные материалы для увеличения емкости и уменьшения размеров технологий хранения цифровых данных. Ранджит Пати, профессор физики в Технологическом институте Мичигана, руководил исследованием и объяснял физику, лежащую в основе новой конструкции нанопроволоки своей команды.

«Благодаря свойству, называемому спином, электроны ведут себя как крошечные магниты», — сказал Пати. «Подобно тому, как намагниченность стержневого магнита является диполярной, направленной с юга на север, электроны в материале имеют векторы магнитного дипольного момента, которые описывают намагниченность материала».

Когда эти векторы имеют случайную ориентацию, материал немагнитен. Когда они параллельны друг другу, это называется ферромагнетизмом, а антипараллельное выравнивание — антиферромагнетизмом. Современная технология хранения данных основана на ферромагнитных материалах, где данные хранятся в небольших ферромагнитных доменах. Вот почему достаточно сильный магнит может испортить мобильный телефон или другое электронное хранилище.

В зависимости от направления намагничивания (направленного вверх или вниз) данные записываются в виде битов (либо 1, либо 0) в ферромагнитных доменах. Однако есть два узких места, и оба зависят от близости. Во-первых, поднесите внешний магнит слишком близко, и его магнитное поле может изменить направление магнитных моментов в домене и повредить запоминающее устройство. И, во-вторых, каждый домен имеет собственное магнитное поле, поэтому они не могут находиться слишком близко друг к другу. Проблема с меньшей, более гибкой и универсальной электроникой заключается в том, что им требуются устройства, которые затрудняют безопасное разделение ферромагнитных доменов.

«Упаковка данных сверхвысокой плотности была бы сложной задачей с доменами ферромагнитной памяти», — сказал Пати. «С другой стороны, антиферромагнитные материалы свободны от этих проблем».

Сами по себе антиферромагнитные материалы не подходят для электронных устройств, но на них не влияют внешние магнитные поля. Эта способность противостоять магнитным манипуляциям стала привлекать все больше внимания исследовательского сообщества, и команда Пати использовала предсказательную квантовую теорию многих тел, которая учитывает электрон-электронные взаимодействия. Команда обнаружила, что легированные хромом нанопроволоки с германиевым сердечником и кремниевой оболочкой могут быть антиферромагнитным полупроводником.

Несколько исследовательских групп недавно продемонстрировали манипулирование отдельными магнитными состояниями в антиферромагнитных материалах с помощью электрического тока и лазеров. Они наблюдали динамику вращения на терагерцовой частоте — намного быстрее, чем частота, используемая в наших нынешних устройствах хранения данных. Это наблюдение открыло множество исследовательских интересов в области антиферромагнетизма и может привести к более быстрому хранению данных с большей емкостью.

«В нашей недавней работе мы успешно использовали интригующие свойства антиферромагнетика в низкоразмерной, комплементарной металлооксидно-совместимой полупроводниковой (КМОП) нанопроволоке, не нарушая полупроводниковых свойств нанопроволоки», — сказал Пати. «Это открывает возможности для более компактной и умной электроники с более высокой емкостью хранения и обработки данных».

Пати добавляет, что самой захватывающей частью исследования его команды было открытие механизма, который определяет антиферромагнетизм. Этот механизм называется суперобменом, и он контролирует спин электронов и антипараллельное выравнивание, которое делает их антиферромагнитными. В нанопроволоке команды электроны германия действуют как посредник, обменник между несвязанными атомами хрома.

«Взаимодействие между магнитными состояниями атомов хрома опосредуется промежуточными атомами, с которыми они связаны. Это кооперативное магнитное явление», — сказал Пати. «Проще говоря, предположим, что есть два человека A и B: они далеко друг от друга и не могут общаться напрямую. Но у A есть друг C, а у B есть друг D. C и D — близкие друзья. Итак, A и B может косвенно взаимодействовать через C и D».

Лучшее понимание того, как электроны общаются между атомными друзьями, позволяет проводить больше экспериментов для проверки потенциала таких материалов, как нанопроволоки, легированные хромом. Лучшее понимание антиферромагнитной природы германо-кремниевых нанопроволок — вот что увеличивает потенциал для более компактной, умной и емкой электроники.