​Международный коллектив ученых определил, как оксиды металлов обмениваются электронами и меняют свое магнитное состояние под действием оптического излучения. Эту загадку исследователи не могли разгадать десятки лет. В перспективе результат можно использовать для управления магнитными свойствами вещества при помощи света, что значительно ускорит передачу информации между процессором и оперативной памятью электронных устройств. Результаты расчетов опубликованы в журнале Physical Review Letters
 
Переключение намагниченности в магнитном поле является главным принципом современной технологии хранения данных. В компьютерах с магнитной памятью запись и считывание информации обеспечивается за счет электромагнитного взаимодействия с внешними устройствами и позволяет передавать данные со скоростью одного бита в наносекунду и быстрее.
 
Развитие беспроводных технологий и спрос на облачные системы хранения данных увеличивают потребность в быстрой записи информации. В принципе, ученым известны методы повышения быстродействия современных вычислительных устройств. К примеру, уже довольно давно показана возможность возбуждать светом магнитные колебания в оксидах железа. Однако физический механизм изменения обменного взаимодействия при возбуждении вещества светом оставался загадкой до последнего времени.
 
Ученые ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» вместе с коллегами из Санкт-Петербурга, Великобритании и Нидерландов разработали теорию обменного взаимодействия оптически возбужденных магнитных ионов и выяснили, что происходит с электронами при влиянии на кристаллы окислов железа лазерным излучением. Понимание этого процесса открывает дорогу целенаправленному управлению магнитными свойствами материалов при помощи света.
 
Исследователи рассмотрели электронный обмен в кристаллах ферробората, состоящих из железа, кислорода и бора. После длительных экспериментов было установлено, что обменное взаимодействие электронов изменяется в кристалле после облучения интенсивными сверхкороткими световыми импульсами, но как и почему это происходит — оставалось неизвестным. Ученые отметили, что именно лазерный импульс активирует переносы зарядов, тем самым модифицируя обменную связь между соседними ионами железа в кристаллической решетке. Особенность процесса в том, что ионы железа находятся в центре соседних с ними октаэдров из кислорода, поэтому перераспределение электронов происходит очень быстро. Без облучения светом обменное взаимодействие соседних ионов антиферромагнитно, то есть их магнитные моменты антипараллельны. Теория красноярских физиков показала, что если один ион железа возбуждается светом с определенной частотой, а соседний остается невозбужденным, то взаимодействие становится ферромагнитным.
 
Чтобы подтвердить свою теорию, исследователи решили провести эксперимент на другом кристалле — ортоферрите эрбия, который состоит из железа, кислорода и редкоземельного металла — эрбия. Результаты измерений оказались идентичны предыдущим. Так ученые установили механизм влияния света на процесс переноса электронов и изменение обменного взаимодействия в оксидах железа. Важно, что после поглощения частицы света одним из двух ионов металла и изменения намагниченности, их магнитные моменты становятся почти параллельными. До этого в магнетизме учитывалось только обменное взаимодействие ионов в невозбужденном состоянии. Сейчас ученые описали и экспериментально обнаружили, что под действием света происходит резонансное возбуждение перехода электронов с одного магнитного подуровня на другой, включая изменение момента импульса. Это открытие демонстрирует альтернативу используемой в настоящее время теории сверхбыстрых взаимодействий света с электронными магнитными моментами.
 
«Управление обменным взаимодействием с помощью субпикосекундных лазерных импульсов является очень привлекательным подходом для поиска нового сценария максимально быстрого управления магнетизмом. Этот эффект позволит ускорить работу компьютера за счет оптического управления процессами записи и считывания. Многим хочется, чтобы компьютеры работали быстрее. В XXI веке стала интенсивно развиваться фемтосекундная магнитооптика, которая продемонстрировала возможность управлять магнитными свойствами вещества за времена порядка одной фемтосекунды, что означает возможность ускорения записи и считывания информации по сравнению с нынешней техникой в миллион раз!», — поделился результатами исследования заведующий лабораторией Института физики им. Л.В. Киренского  ФИЦ КНЦ СО РАН доктор физико-математических наук, профессор Сергей Геннадьевич Овчинников.
 
Физики отметили, что исследования импульсной динамики с большой вероятностью могут привести к неожиданным открытиям. В том числе, понимание описанного ими механизма позволит в дальнейшем управлять магнитным порядком вещества с помощью света и найти за счет этого новые способы записи информации на временах намного быстрее, чем 1 наносекунда, и без применения внешних магнитных полей.
 
Исследование поддержано Российским научным фондом (грант No. 18-12-00022).
 
Группа научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН

Источники

Ученые на пути к оптически управляемым компьютерам
Наука в Сибири (sbras.info), 15/10/2020
Ученые на пути к оптически управляемым компьютерам
Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук (ksc.krasn.ru), 15/10/2020
Ученые на пути к оптически управляемым компьютерам
Российский научный фонд (rscf.ru), 15/10/2020
Ученые на пути к оптически управляемым компьютерам
Российский научный фонд (рнф.рф), 15/10/2020
Красноярские ученые ищут подходы к оптическому управлению компьютерами
РИА Сибирь (ria-sibir.ru), 17/10/2020
Ученые РФ и их коллеги из-за рубежа сделали большой шаг к оптически управляемым компьютерам
Научная Россия (scientificrussia.ru), 20/10/2020

Похожие новости

  • 14/10/2019

    Ученые синтезировали металлоорганический полимер на основе кобальта с изменяемой пористой структурой

    Международный коллектив исследователей синтезировал новый вид металлоорганического материала на основе кобальта, который способен менять свою структуру. Соединение оказалось более стабильным и эластичным, чем его предшественники на основе других металлов.
    667
  • 04/04/2018

    Российские ученые повысили твердость стали с помощью лазера и наночастиц

    Коллектив ученых Национального исследовательского университета «МЭИ», Федерального исследовательского центра Красноярский научный центр СО РАН (ФИЦ КНЦ СО РАН) и Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета разработал технологию повышения поверхностной твердости и износостойкости стальных изделий.
    1887
  • 14/06/2018

    Наночастицы нитрида титана повысят производительность оптоволоконных линий связи

    Ученые Федерального исследовательского центра Красноярский научный центр СО РАН (ФИЦ КНЦ СО РАН) совместно с коллегами из Сибирского федерального университета, Сибирского государственного университета науки и технологий им.
    1741
  • 13/08/2019

    Сибирские ученые научились находить и устранять деформации в промышленной керамике

    ​Коллектив ученых из Красноярска и Новосибирска разработал метод для определения остаточных деформаций в керамике из титаната бария. Это позволит сохранить её свойства и контролировать качество изделий, производимых из этого материала.
    761
  • 17/07/2020

    СО РАН направляет в Арктику большую норильскую экспедицию

    ​​Группа ученых из Российской академии наук всесторонне изучит экологическую среду территории и представит предложения и рекомендации по наилучшим природосберегающим решениям для деятельности промышленных компаний в Арктическом регионе.
    1305
  • 15/12/2017

    Химики создали новый класс люминофоров для электронной промышленности

    ​Международный коллектив химиков из Китая, России и Японии синтезировал новое кристаллическое вещество на основе оксидов редкоземельных металлов, а также описал его структуру и свойства. Расшифровка рентгенограммы нового соединение установила, что он относится к новому, ранее неизвестному классу.
    1719
  • 30/11/2017

    Синтез химиков и физиков

    За одной написанной химической формулой может скрываться сразу несколько различных веществ и структур. Так, оксид железа имеет ряд фаз, и только одна из них позволяет получать магнитные наночастицы для производства, например, более продуктивных жестких дисков.
    1302
  • 04/12/2019

    Создана первая российская установка для синтеза тонких оксидных пленок

    ​Красноярские ученые создали установку для формирования прозрачных оксидных пленок с регулируемой толщиной. Благодаря особенностям конструкции, на ней можно быстрее и эффективнее, чем на большинстве зарубежных аналогов устройства, проводить синтез химических покрытий на неорганической основе.
    686
  • 15/06/2018

    Китай, Россия и Беларусь будут сотрудничать в сфере материаловедения и аэрокосмической техники

    ​Китай, Россия и Беларусь договорились об углублении сотрудничества в сфере материаловедения и авиатехники. Соответствующие документы были подписаны в городе Наньчан, административном центре провинции Цзянси на востоке Китая.
    983
  • 29/07/2020

    Форму и свойства наночастиц можно изменять за счет благородных металлов

    ​Международный коллектив ученых создал гибридные наноструктуры из магнитных наночастиц и серебра. Меняя концентрацию благородного металла, можно получать конструкции различных форм: от эллипсов до четырех-, шести- и восьмиугольников с закругленными краями и тонкой углеродной оболочкой.
    528