Физики из Швейцарии создали нано-магниты, показывающие на запад и восток
Ученые из Швейцарии воплотили на практике выкладки советских физиков-теоретиков и создали наномагнитный материал, компас из которого указывал бы не на север и юг, а на восток и запад. Его описание и итоги первых опытов с "неправильными" магнитами были опубликованы в журнале Science.
"Куда показывает стрелка этого нано-компаса, зависит от того, как ведут себя атомы в соседних слоях. К примеру, если один из них "смотрит" на север, то соседний слой будет направлен на запад", — рассказывает Чжао-чу Ло (Zhaochu Luo) из Федерального политехнического института Швейцарии в Цюрихе.
Все магнитные материалы состоят из особых областей, которые обычно называют "доменами". Как правило, спины электронов у атомах в таких доменах повернуты в одну сторону, не совпадающую с тем, в какую стороны направлены спины электронов в соседних доменах. Благодаря этому куски железа не обладают собственным магнитным полем, но могут намагничиваться, если поместить их во внешнее магнитное поле.
Эти домены ведут себя как единое целое, "коллективно" меняя намагниченность при приложении электрического поля, освещении светом или других воздействиях, что не позволяет записывать информацию в спины электронов у отдельных атомов. По этой причине ученые сегодня активно разрабатывают альтернативные подходы к хранению информации, так как магнитные системы хранения данных уже почти подошли к этому пределу.
Многие подобные проблемы можно преодолеть, используя абсолютно плоские магнитные материалы, чьи свойствами можно манипулировать на более "тонком" уровне, чем у их обычных аналогов. За последние годы ученые создали несколько подобных двумерных магнитов, используя вещества, похожие на графен, и раскрыли целый ряд необычных свойств, которые не предсказывались теорией.
Все подобные материалы, как отмечает Ло, устроены таким образом, что их свойствами можно манипулировать только на уровне отдельных слоев. Это сильно ограничивает их применение для хранения информации и других целей, где нужно тонко управлять магнитными свойствами материи на более мелких масштабах.
Более полувека назад советский физик Игорь Дзялошинский и его японский коллега Тору Мория (Toru Moriya) заметили, просчитывая квантовые свойства редкоземельных металлов, что их сложные электронные оболочки будут необычным образом влиять на спин этих атомов и их соседей, а через них – на магнитные свойства материалов, в которых они присутствуют.
Их расчеты показали, что магнитные взаимодействия между такими атомами станут сильно неоднородными при определенных условиях среды. Это позволяет создавать так называемые антиферромагнитные материалы, в которых спины будут уложены в "шахматном порядке", нейтрализуя друг друга, а также другие виды материи с причудливыми магнитными свойствами.
Эти же выкладки, как обнаружили Ло и его коллеги, можно использовать для создания уникальных нано-магнитов, чьи спины будут направлены не в противоположные стороны, а будут расположены под углом в 90 градусов по отношению друг к другу.
Для этого ученые особым образом склеили между собой три пленки атомной толщины, изготовленные из разных металлов - алюминия, платины и кобальта. Их подготовка и сборка, как отметил Ло, заняла у швейцарских физиков более полугода.
Эти усилия оправдали себя — точно просчитанные взаимодействия между атомами этих пленок привели к тому, что кобальтовый слой разбился на множество участков с двумя наборами свойств. Спины половины из них были всегда направлены или на юг, или на север, а остальных – на запад или на восток.
Как показали опыты с этим металлических полей "бутербродом", намагниченность в этих блоках можно легко менять, пропуская через них ток. Это позволяет использовать подобные "плоские" магниты и антиферромагнитные материалы для сверхплотного хранения информации и создания вычислительных систем, тратящих рекордно малые количества энергии, заключают ученые.