«Скрытое» состояние впервые использовали для переключения магнитного материала при комнатной температуре

Ученые нашли быстрый способ управлять магнитными свойствами материала при комнатной температуре с помощью лазера, чтобы усовершенствовать жесткие диски и другие устройства магнитной памяти. Короткий лазерный импульс «поворачивает» микроскопические «магнитные стрелки» внутри материала на 90 градусов — как будто быстро разворачивает стрелку компаса. При этом материал сначала переходит в особое «скрытое» состояние, которое длится всего миллионные доли микросекунды. Это состояние можно контролировать и тем самым регулировать, насколько быстро произойдет переключение и насколько полно оно завершится. Такой подход открывает путь к созданию сверхбыстрых магнитных устройств нового поколения, например, для хранения и обработки данных. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Чтобы использовать магнитный материал в качестве носителя информации, например, для записи «0» или «1» в жестком диске компьютера, нужно уметь переключать в нем направления магнитных моментов — микроскопических «магнитных стрелок». При этом важно, чтобы магнитные моменты были строго упорядочены (все смотрели в определенном направлении), потому что только в этом случае материал создает четкий и стабильный магнитный сигнал, обеспечивающий запись и извлечение информации из носителя.

В существующих технологиях магнитной памяти используют так называемые ферромагнетики, к которым относятся, например, железо, кобальт и никель. Магнитные моменты атомов в них самопроизвольно выстроены в одном направлении строго параллельно друг другу. Внешнее магнитное поле может их все переключить (изменить их направление на обратное, например, для записи и передачи данных), но быстро это сделать не удается, что ограничивает дальнейшее развитие устройств памяти на основе таких материалов. Более быстрой альтернативой могут служить антиферромагнетики — другой класс магнитных материалов, у которых магнитные моменты соседних атомов ориентированы в противоположные стороны. Однако до сих пор идут поиски быстрого и эффективного способа переключать магнитные состояния антиферромагнетиков при комнатной температуре.

Ученые из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) с коллегами из Научно-практического центра НАН Беларуси по материаловедению (Минск) и Саратовского государственного университета имени Н.В. Чернышевского (Саратов) предложили менять магнитное состояние антиферромагнетика при комнатной температуре, воздействуя на него лазером. Ранее такой способ управления антиферромагнетиком ученые в основном пытались применить только при очень низких температурах — от -196°C до -269°C, что не подходит для реальных устройств.

Авторы провели эксперименты с боратом железа — материалом на основе железа, бора и кислорода. У этого антиферромагнетика есть две группы магнитных моментов, которые направлены противоположно друг другу и немного скошены (лежат не строго параллельно). Интересно, что при нагреве до +140°C магнитные моменты в этом материале резко поворачиваются на 90 градусов (происходит так называемый магнитный фазовый переход). Это можно сравнить с тем, как лед при 0°C превращается в воду, только намного быстрее.

Физики воздействовали на материал короткими лазерными импульсами и определили, что в таких условиях направление магнитных моментов резко меняется. При этом авторы впервые обнаружили, что такой процесс идет через промежуточное «скрытое» состояние, которое невозможно наблюдать при обычных условиях. Поэтому результат ученых очень важен и с точки зрения фундаментальной науки.

«Скрытое» состояние существует всего миллионные доли микросекунды, после чего из-за лазерного нагрева магнитные моменты атомов окончательно поворачиваются на 90 градусов, то есть магнитное состояние материала переключается. Несмотря на такое короткое время существования, «скрытое» состояние оказывается решающим для того, насколько быстро произойдет переключение и будет ли оно полным.

«Нам впервые удалось быстро переключить магнитное состояние антиферромагнетика лазером при температуре немного выше комнатной. Результаты показывают, что короткие лазерные импульсы способны изменять магнитное состояние быстрее и изящнее, чем магнитное поле или электрический ток. Их использование открывает путь к созданию энергоэффективных и скоростных компонентов памяти и логики», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Анна Кузикова, младший научный сотрудник лаборатории физики ферроиков ФТИ имени А.Ф. Иоффе РАН.