Ученые создали «магнитный спиновый лед» для хранения информации

Магнитно-силовое изображение слова ICE, написанного на искусственном магнитном спиновом льду. Фото: Yong-Lei Wang and Zhili Xiao

Физики из США предложили новую систему для записи и хранения информации на основе так называемого «спинового льда» — структуры с упорядоченной системой атомных магнитных моментов. В отличие от предыдущих систем, новая разработка позволяет проще и точнее записывать и хранить большие объемы информации.

Спиновый лед — структура, в которой магнитные моменты — спины — атомов ориентированы так же, как протоны в обычном льду: два смотрят наружу, а два — внутрь ячейки кристалла. В каждой магнитной ячейке кристалла искусственного льда при этом находятся четыре половинки спинов — магнитных зарядов. По-разному ориентируя спины в ячейках, на кристаллы искусственного льда можно записывать, а затем считывать с них информацию. По словам авторов нового исследования, в будущем такой способ записи пригодится для мощных и компактных компьютеров и квантовых вычислений. Однако существующие на сегодняшний день системы недостаточно точны и нуждаются в доработках.

В статье в журнале Science группа ученых из США показала, как сформировать ячейки с большим количеством степеней свободы, работающие точнее и надежнее аналогов. Для этого исследователи предложили мысленно разбить каждый магнитный спин в структуре на два единичных магнитных заряда, а затем соединить их между собой по-другому — не так, как в классическом кристалле искусственного спинового льда. При этом получится система, в которой спины ориентированы не только по горизонтали и вертикали, но и по диагонали. На рисунке показано, как будут при этом расположены магнитные спины.
Схематическое изображение магнитных моментов в кристаллах искусственного спинового льда
Схематическое изображение магнитных моментов в кристаллах искусственного спинового льда. Фото: Yong-Lei Wang and Zhili Xiao

Таким образом, каждая новая ячейка приобретет дополнительную диагональную степень свободы, увеличивающую доступное количество состояний вдвое. В общей сложности, каждая ячейка может находиться в одном из восьми состояний, которые ученые разделили на три группы — два, два и четыре состояния — по энергии.

Преодолеть энергетический барьер перехода в другое состояние при комнатной температуре удалось при наложении внешнего магнитного поля на систему. В работе ученые предложили подход, который позволяет переворачивать отдельные спины в заданной ячейке, тем самым точечно изменяя состояние ячеек. Для этого использовали магнитно-силовой микроскоп, оснащенный двумерным векторным магнитом, и экспериментальную систему из наноостровков (300х80х25 нм) пермаллоя, нанесенного на субстрат из смеси кремния и его оксида.

На рисунке показан пример использования нового подхода к записи информации: на фоне подложки в основном, самом низконергетическом состоянии написано слово ICE (англ. «лед») ячейками возбужденного состояния. Система возобновляема, то есть одну и ту же подложку можно неоднократно «обнулять», а затем перезаписывать.
Магнитно-силовое изображение слова ICE, написанного на искусственном магнитном спиновом льду
Магнитно-силовое изображение слова ICE, написанного на искусственном магнитном спиновом льду. Фото: Yong-Lei Wang and Zhili Xiao

Авторы исследования отмечают, что разработанный ими подход универсален, и его можно использовать для создания более сложных структур с большим количеством состояний, имеющих, соответственно, большую информационную емкость. Области применения новой технологии — некоторые разделы квантовой электроники, а также кодирование и хранение информации. Кроме того, системы из искусственного льда подходят для записи и передачи паттерна намагниченности на другие элементы или детального изучения свойств магнитных дефектов, таких как магнитные монополи или волны Дирака.
Теги:

Читать еще на Чердаке: