Группа ученых, среди которых физики из МФТИ и Российского квантового центра доказала возможность возбуждения магнитных вихрей — перспективных для электроники будущего носителей информации — при помощи меньшего тока. Соответствующие теоретические расчеты опубликованы в Physical Review B.
Магнитные вихри — это микроскопические участки намагниченного вещества с особым расположением вектора намагниченности. В центре вихря вектор намагниченности ориентирован перпендикулярно поверхности, а по краям эти вектора образуют структуру, напоминающую вихрь или воронку. Пример магнитного вихря показан на иллюстрации выше.
Вектор намагниченности, в свою очередь, связан со спином, квантовой характеристикой отдельных частиц. Именно управление магнитными вихрями через спин или иначе, рассматривается учёными в качестве основы электроники будущего — спинтроники. В спинтронике для хранения и обработки информации важно не перемещение электронов с места на место, не перетекание электрических зарядов — ключевую роль играет спин и перемещение электронов с определенным спином, спиновый ток. Информация может передаваться не зарядом, а спином, причём совсем необязательно с переносом заряженных частиц куда-то — сами они могут оставаться на месте, но их спины будут поворачиваться, передавая информацию «по цепочке».
Спин в качестве носителя единицы информации весьма интересен тем, что его обработка (например, смена компьютерного 0 на 1 путем переворота спина) требует гораздо меньших затрат энергии и времени, чем аналогичная операция в современной электронике. За счет этого оперирующие спином электронов микросхемы будут меньше греться, и к тому же ряд расчетов показывает, что они окажутся менее чувствительны к радиации. Спинтроника имеет хорошие шансы вытеснить привычные нам устройства, но для этого ученым нужно вначале изучить множество вопросов как фундаментального, так и прикладного характера.
Пермаллой, сплав железа и никеля, был запатентован еще в 1914 году и активно использовался с тех пор в электротехнике. Из него делали и продолжают делать сердечники трансформаторов (на рисунке) вкупе с экранирующей оплеткой для кабелей. Еще он использовался в магнитофонах — ныне практически вышедших из употребления. Но, несмотря на более чем почтенную историю, пермаллой имеет неплохие шансы стать основой для электроники будущего.
Для спинтроники требуются новые способы хранения и обработки информации. Перспективными инструментами для этого являются магнитные вихри, которые можно использовать как для хранения информации (0 — закручен по часовой стрелке, 1 — против, или же 0 — ядро намагничено вверх, 1 — вниз), так и для её обработки – разные вихри по-разному взаимодействуют со спиновым током (это поток электронов, в котором доля электронов с определенным спином больше другой), что даёт возможность создавать сложные устройства вплоть до искусственных нейронных сетей. Кроме того, используя эти вихри, можно создавать наногенераторы переменного сигнала, которые могут в перспективе быть использованы в телекоммуникационных приложениях.
Как это было сделано
В своей работе авторы рассмотрели процесс прохождения переменного радиочастотного (порядка 1 ГГц) тока по поверхности между пермаллоем и селенидом висмута, ферромагнетиком и топологическим изолятором соответственно, и предложили теоретическое описания наблюдаемых явлений.
Конечно, такая комбинация материалов выбрана не случайно. Пермаллой — ярко выраженный ферромагнетик, и принципиально важной является его способность быть намагниченным в отсутствие внешнего магнитного поля. Именно поэтому в нём могут возбуждаться магнитные вихри, «закручиваются» в которых как раз маленькие «магниты» (магнитные моменты, если быть точным), из которых состоит этот материал. К тому же пермаллой давно известен в промышленности — он был открыт ещё в начале 20 века и с тех пор активно использовался, например, при изготовлении трансформаторных пластинок.
Селенид висмута, в свою очередь, топологический изолятор: он способен пропускать электрический ток исключительно по своей поверхности. Этот эффект нельзя путать со скин-эффектом, случаем когда высокочастотный ток практически не распространяется внутри проводника: топологический изолятор не допускает перемещения зарядов и в случае низкочастотного, и даже постоянного тока. Кроме того, его свойства обусловлены сугубо квантовыми эффектами. К тому же особенности топологического изолятора не дают электронам возможности сменить свой спин во время движения, что делает его идеальными проводником спинового тока.
Особо следует подчеркнуть, что численное моделирование авторы проводили при помощи разработанного ими же ранее пакета SpinPM. Эта программа уже использовалась авторами ранее и её предсказания были подтверждены в ходе экспериментов, описанных затем на страницах научных журналов Physical Review Letters и Nature Physics.
Исследуемая гетероструктура: диск из пермаллоя (NiFe) на поверхности селенида висмута (Bi2Se3). Изображение предоставлено авторами исследования.
В ходе исследования было выяснено, что для возбуждения магнитных вихрей за счёт топологического изолятора необходимо использовать переменный ток, поскольку постоянный практически не влияет на них. При приложении же переменного тока был найден резкий резонансный характер возбуждения вихрей — при приближении к определённой частоте тока радиус вихря резко растёт, образовывая резкий пик, вершина которого немного смещается при разной плотности тока. Отметим также, что плотности тока, необходимые для возбуждения вихрей, оказались в несколько раз меньше ранее наблюдаемых.
«Фактически мы показали, что вращающими моментами определённой симметрии, которые возникают на интерфейсе Py/Bi2Se3 при прохождении вдоль него переменного тока, можно эффективно возбуждать магнитный вихрь. При этом величина эффекта была взята из экспериментальной работы наших коллег, и для неё требуемые плотности тока действительно оказались значительно меньше, чем наблюдалось ранее. Стоит отметить, что подобные вращающие моменты могут наблюдаться не только для Bi2Se3, но и для широкого круга материалов, среди которых можно отметить топологические изоляторы и материалы с гигантским взаимодействием Рашбы», — поясняет Пётр Скирдков, первый автор статьи.
Характер зависимости радиуса магнитного вихря от частоты тока. Виден резкий резонансный характер зависимости при разных плотностях тока. Изображение предоставлено авторами исследования.
В предшествующих экспериментальных работах было показано, что прохождение тока на поверхности между различными слоями подобной гетероструктуры способно породить вращающий момент. А авторы статьи продемонстрировали возможность эффективного возбуждения магнитных вихрей при помощи этого момента.
Исследования в области спинтроники являются критически важными для развития современных технологий. В настоящее время неоспоримым является тот факт, что вскоре привычная нам полупроводниковая электроника прекратит своё бурное развитие согласно закону Мура (более того, уже есть первые предвестники этого). И, возможно, в будущем вся техника перейдёт на работу не с зарядами, а спинами частиц, практически не затрачивая энергию на их обработку и увеличив своё быстродействие в тысячи раз. Кстати, некоторые исследования в области магнитных гетероструктур даже удостоились Нобелевской премии и их результаты уже активно используются при производстве жестких дисков.
