Квадратные наномагниты научились вести себя согласованно
Российские физики нашли способ управлять магнитными свойствами квадратных наночастиц, расположенных по узлам плоской квадратной решетки. Если такие наночастицы расположить достаточно близко друг к другу, то в них можно контролируемо менять ориентацию магнитного момента и хиральность магнитного вихря, переводя всю системы в одну из четырех возможных конфигураций. В будущем такие системы могут использоваться для записи и хранения информации в спинтронных устройствах, пишут ученые в The European Physical Journal B.
Один из основных способов хранения информации — использование магнитных элементов памяти. Для миниатюризации магнитных систем записи информации их предлагают делать из совсем небольших магнитных частиц — микрометрового или даже нанометрового размера. Однако получать упорядоченные массивы из магнитных наноэлементов — задача довольно сложная. Это связано с тем, что ориентацию магнитных моментов отдельных элементов, которые и служат переносчиком информации, очень тяжело сначала зафиксировать, а потом контролировать. Для решения этой проблемы ученые предлагают несколько различных подходов: например, использовать системы искусственного спинового льда, в которых движение анизотропных магнитных наночастиц ограничено, и магнитный момент каждой частицы фактически может быть ориентирован только в двух направлениях.
Российские физики под руководством Виталия Орлова (Vitaly A. Orlov) из Института физики имени Киренского Сибирского отделения РАН нашли другой способ для управления намагниченностью микронных наночастиц в упорядоченной системе. Ученые предложили использовать квадратные частицы, расположенные по узлам квадратной же двумерной решетки. При наличии внешнего магнитного поля магнитный момент внутри каждой такой частицы распределен в виде вихря с выраженным магнитным ядром.
Распределение намагниченности внутри таких частиц определяется балансом между обменной энергией и стремлением к размагничиванию, который приводит к возникновению в ядре магнитного момента, перпендикулярного плоскости самой частицы. Поскольку сами частицы плоские и все ориентированы одинаковым образом, то направлений у магнитного момента ядра может быть два — вверх и вниз. Кроме того, если ядро вихря смещено относительно центра квадратной частицы, то сила размагничивания приводит к вращению вихря с частотой в сотни мегагерц. Если же вращение всех вихрей синхронизировать, то система может войти в резонанс, благодаря которому можно упорядочивать как направление магнитного момента ядра, так и хиральность намагниченности частиц (то есть направление, в котором магнитные моменты внутри частиц будут закручены).
Эту идею физики смогли реализовать экспериментально на массиве квадратных частиц пермаллоя — магнитного сплава никеля и железа — со стороной 3 микрометра и толщиной 12 нанометров, нанесенных на кремниевую подложку. С помощью переменного внешнего магнитного поля частотой 415 мегагерц в таких частицах ученым удалось вызвать кооперативное движение магнитных вихрей. Авторы работы отмечают, что этот режим активируется только при определенном расстоянии между частицами — около семи микрометров. Меняя частоту и напряженность поля, можно контролировать полярность и хиральность частиц в массиве, ориентируя соседние частицы (как по полярности, так и по хиральности) либо одинаковым, либо противоположным образом.
Ученые отмечают, что поскольку между частицами нет непосредственного контакта или магнитного мостика, то природа этого взаимодействия чисто магнитостатическая. Этот механизм физики также исследовали теоретически и, описав процесс расщепления ферромагнитного резонанса, смоделировали возможные конфигурации в такой системе.
Оказалось, что магнитостатическое взаимодействие действительно позволяет получить четыре различных комбинации хиральности и полярности соседних вихрей на квадратной решетке, переходом между которыми можно управлять, переходя от одной резонансной частоты внешнего магнитного поля к другой.
По словам авторов работы, наличие четырех резонансных колебательных режимов в плотном двумерном массиве магнитных частиц делает такие системы перспективными, например, для спинтронных устройств. При этом, если на квадратной решетке возможные состояния ограничиваются шахматными конфигурациями, то в решетках других типов возможны и другие симметричные и несимметричные типы распределений.
В качестве миниатюрных магнитов в упорядоченных магнитных системах можно использовать не только наночастицы, но даже и отдельные молекулы. Они, правда, пока могут работать только при очень низких температурах — сейчас максимальная температура, при которой у у отдельных молекул наблюдаются магнитные свойства, не превышает 60 кельвинов. А при температуре около 1,2 кельвина физики добились еще более плотной магнитной записи информации — с разрешением 1 бит на 1 атом.
Александр Дубов
При каждом нажатии он меняет структуру, не забывая о предыдущих изменениях
Физики создали механический метаматериал с эффектом памяти, который можно использовать как примитивный счетчик до десяти. Этот материал представляет собой массив из десяти деформируемых ячеек, каждая из которых может находиться в одном из двух состояний, меняющихся при нажатии. При этом предыдущих изменений материал не забывает. В будущем счетчики с подобной конструкцией могут оказаться полезными для мягкой робототехники и умных сенсоров, пишут ученые в Physical Review Letters. Свойства метаматериалов определяются в первую очередь не химическим строением, а геометрической микроструктурой (например, расположением слоев различных веществ или периодичностью атомной решетки) и для них характерны аномальные значения различных физических параметров. Например, если растягивать в продольном направлении ауксетики, обладающие отрицательным значения коэффициента Пуассона, то в перпендикулярном направлении они расширяются (в то время как обычные материалы сжимаются). Ученые работают и над метаматериалами, обладающими памятью: они запоминают воздействие и реагируют на него сменой физических свойств. Например, если нагреть полимер с памятью формы, он вернет исходную (до деформации) форму. Однако такие материалы запоминают лишь начальное состояние, запомнить несколько последовательно меняющихся состояний им не под силу. Физики Мартин ван Хеке (Martin van Hecke) и Леннард Квакернак (Lennard Kwakernaak) из Лейденского университета разработали метаматериал, у которого память о предыдущих деформациях не сбрасывается. Храня информацию о предыдущих воздействиях, такой материал фактически способен считать: он запоминает каждое нажатие, последовательно меняя свою структуру. Ученые сделали материал на 3D-принтере из стоматологической силиконовой смеси для слепков. Он состоит из отдельных ячеек, каждая из которых включает в себя две балки: одну тонкую и одну толстую. Тонкая балка может изгибаться либо влево, либо вправо. Толстая балка служит перегородкой, отделяя ячейки материала друг от друга. Значение критической деформации для толстой и тонкой балок различны, поэтому одного нажатия достаточно для сгибания тонкой балки и частичной деформации толстой. Наличие толстой балки также не дает деформироваться тонкой балке в соседней ячейке. Материал считает следующим образом. В начальном состоянии {000...0} все тонкие балки изогнуты влево. При каждом изменении направления изгиба тонкой балки 0 меняется на 1. Превышая первым нажатием критическую деформацию тонкой балки, систему выводят в состояние {100...0}. После каждого следующего нажатия крайняя слева балка изгибается в правую сторону. Толстая балка при этом не деформируется, но за счет конструкции сгибает следующую тонкую. То есть система копирует состояние изогнутой вправо тонкой балки (1) с каждым нажатием на одну ячейку правее. В терминах нулей и единиц, подсчет можно записать как {000...0} → {100...0} → {110...0}→··· → {111...1}. До скольки может досчитать материал, зависит от числа ячеек и начального состояния системы, память метаматериала сохраняется до конца подсчета. По словам авторов работы, такой метаматериал с эффектом памяти фактически представляет собой простейший компьютер, который можно запрограммировать на счет с любого начального числа. Его работу ученые проверили, фиксируя значения критических деформаций и начиная счет с различных начальных чисел. Материаловеды отмечают, что такой счетчик из метаматериала можно изготовить и из других веществ, например каучука или полиуретана. В будущем из аналогичных ячеек ученые планируют собирать и двумерные массивы, на которых можно будет проводить более сложные вычислительные операции Метаматериалы хороши не только в счете: они помогают решать уравнения со скоростью света, а еще их можно превратить в непрерывные кристаллы времени.