​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 дает 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

Похожие новости

  • 24/04/2018

    Как сделать жилье более доступным и экологичным?

    ​​Дом - это что-то теплое, уютное и, на первый взгляд - очень консервативное. Но на самом деле и строительство попевает за техническим прогрессом. Как сделать жилье более доступным, дешевым, экологичным? Мы создали краткий обзор тенденций и технологий будущего, которые появляются уже сейчас.
    358
  • 01/11/2017

    Сибирские ученые изучили новый тип нанопластин для применения в медицине

    ​Ученые из Института физики имени Л. В. Киренского Красноярского федерального исследовательского центра Сибирского отделения РАН совместно с коллегами из Сибирского федерального университета впервые изучили магнитные свойства, структуру и состав новых наночастиц семейства халькогенидов (элементов 16-й группы периодической системы, к которым относятся кислород, сера, селен, теллур, полоний и ливерморий).
    633
  • 14/12/2017

    Сибирские ученые нашли способ, который уменьшит вредные выбросы тепловых электростанций

    Ученые смоделировали процесс сжигания угля в котлах теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) и выяснили, уголь какого типа при сгорании дает меньше вредных выбросов. В результате удалось подобрать режим работы, при котором количество выбросов уменьшается в два раза.
    576
  • 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.
    319
  • 23/11/2017

    Сибирские ученые модернизировали метод расчета движения жидкостей

    ​Исследователи из Сибирского федерального университета (СФУ) в сотрудничестве с коллегами из Московского государственного университета и Сибирского отделения РАН предложили использовать для гидродинамических расчетов систему из нескольких графических процессоров вместо центрального.
    466
  • 28/07/2017

    Нестоличная наука: новгородские викинги, миниатюрный лазер и нейросеть-кардиолог

    ​​Робот-разведчик, древняя птица, рентгеновская линза и другие открытия и разработки российских ученых, сделанные вне Москвы и Санкт-Петербурга. Великий Новгород Уникальное кладбище X-XI веков обнаружила экспедиция Института археологии РАН при раскопках в центре Новгорода.
    634
  • 13/04/2018

    Дилатометр измерит деформации космических материалов в вакууме

    Ученые из Института физики им. Л.В. Киренского Федерального исследовательского центра Красноярский научный центр СО РАН (ФИЦ КНЦ СО РАН) разработали измерительную ячейку для исследования свойств материалов при температурах близких к абсолютному нулю.
    246
  • 22/12/2017

    Новосибирские физики сконструируют для лунной базы солнечные батареи

    ​Освоение других планет - давняя мечта человечества. Но ее невозможно реализовать, не решив энергетическую проблему. Новосибирские физики предложили способ усовершенствовать солнечные батареи для работы в космосе.
    432
  • 29/08/2018

    В Новосибирске собираются построить аэродинамическую трубу для изучения обледенения самолетов

    ​Аэродинамическую трубу для изучения процессов обледенения при взлете и посадке самолетов планируется построить в новосибирском Академгородке, сообщил агентству "Интерфакс-Сибирь" научный руководитель Института теоретической и прикладной механики им.
    146
  • 16/05/2017

    Ученые СФУ разработали наиболее эффективный материал для аккумулирования водорода

    Красноярские ученые получили новый материал для хранения водорода, сообщила пресс-служба Сибирского федерального университета (СФУ). Материал на основе гидрида магния может хранить массу водорода, составляющую около 7% его собственной массы, и это рекордное значение емкости для всех аналогичных материалов.
    681