Dlaczego to takie ważne? Otóż zrozumienie tych fundamentalnych procesów jest kluczem do stworzenia zupełnie nowego typu pamięci komputerowych. Mogłyby one połączyć szybkość dzisiejszej pamięci operacyjnej z trwałością i nieulotnością dysków twardych. Brzmi jak science-fiction, ale najnowsze eksperymenty pokazują, że droga do takiej technologii jest realna, choć z pewnością nie będzie prosta i krótka.
Dwa odmienne mechanizmy przełączania w jednym materiale. Jak prąd wpływa na magnetyzację
Zespół pod kierunkiem Ryo Shimano z Uniwersytetu Tokijskiego skupił się na materiale znanym jako Mn₃Sn, należącym do grupy antyferromagnetyków. W materiałach tych spiny elektronów ustawione są przeciwnie, wzajemnie się znosząc, przez co nie wytwarzają one zewnętrznego pola magnetycznego. Aby podejrzeć zachodzące w nim zmiany, naukowcy przepuścili przez ultracienką warstwę tego związku serię niezwykle krótkich impulsów elektrycznych. Następnie, wykorzystując precyzyjnie synchronizowane błyski światła, stworzyli coś w rodzaju ultraszybkiego filmu poklatkowego, rejestrującego zmiany własności magnetycznych.
Czytaj także: Odkryli nowy rodzaj magnetyzmu! To święty Graal w badaniach nad nadprzewodnictwem
Kluczowym osiągnięciem było wykrycie niezwykle subtelnych sygnałów magneto-optycznych, które wcześniej były praktycznie niewidoczne dla aparatury pomiarowej. Szczegółowy opis metody i wyniki pojawiły się na łamach Nature Materials. Eksperyment przyniósł zaskakujące odkrycie. Okazało się, że w zależności od natężenia przepływającego prądu, magnetyzacja przełącza się na dwa zupełnie różne sposoby. Przy wyższych natężeniach dominuje efekt termiczny – materiał nagrzewa się, a ciepło wymusza zmianę ustawienia spinów. Przy słabszym prądzie zachodzi jednak coś znacznie ciekawszego: przełączanie następuje niemal bez udziału ciepła, a siłą napędową jest sam przepływ elektronów. To drugie zjawisko jest szczególnie obiecujące dla elektroniki, ponieważ minimalizuje niepożądane nagrzewanie układów.
Szybkość przełączania mierzona w pikosekundach. Gdzie leży fizyczna granica możliwości
Obecnie zmierzony czas przełączania stanu magnetycznego w materiale Mn₃Sn wynosi około 140 pikosekund. Aby uzmysłowić sobie, jak niewyobrażalnie krótki to przedział, warto wspomnieć, że w ciągu jednej sekundy można by teoretycznie wykonać ponad siedem bilionów takich operacji. Mimo to, autorzy badania są przekonani, że to nie jest ostateczna granica możliwości materiału. Głównym ograniczeniem w eksperymencie była długość generowanych impulsów prądowych oraz konstrukcja urządzenia pomiarowego.
Sam materiał prawdopodobnie jest w stanie reagować jeszcze szybciej, gdyby tylko udało się zastosować odpowiednio krótsze bodźce i zoptymalizować geometrię całego układu. Kolejne badania będą więc koncentrować się na testowaniu tych ostatecznych, fizycznych limitów prędkości. Trzeba przyznać, że osiągnięcie takiej szybkości w materiale, który jednocześnie zachowuje stabilność, to nie lada wyczyn. W praktyce oznacza to, że teoretyczna podstawa dla ultraszybkich pamięci już istnieje, choć jej komercyjne wdrożenie to zupełnie inna, znacznie dłuższa i bardziej złożona historia.
Zalety antyferromagnetyków
Mechanizm przełączania niezależny od nagrzewania stanowi fundament dla rozwoju nowej generacji urządzeń spintronicznych. W przeciwieństwie do powszechnie stosowanej pamięci RAM, która traci dane po odłączeniu zasilania, czy pamięci flash o ograniczonej wytrzymałości, antyferromagnetyki mogą oferować pamięć nieulotną działającą z prędkością zbliżoną do najszybszych pamięci roboczych.
Czytaj także: Odkryto dziwną formę magnetyzmu. Spotykamy ją na co dzień i nawet o tym nie wiemy
Materiały takie jak Mn₃Sn mają dodatkowe, kluczowe zalety w porównaniu z tradycyjnymi ferromagnetykami. Ponieważ ich wypadkowe pole magnetyczne jest zerowe, poszczególne komórki pamięci nie zakłócają się wzajemnie. To otwiera drogę do znacznie gęstszego upakowania elementów na chipie, co jest jednym z głównych wyzwań współczesnej miniaturyzacji elektroniki. Badacze z Tokio planują teraz skupić się na technikach generowania jeszcze krótszych impulsów oraz doskonaleniu architektury prototypowych urządzeń.
Czy oznacza to rychłą rewolucję w naszych komputerach? Raczej nie. Od odkrycia fizycznego zjawiska do masowej produkcji gotowych układów pamięci droga jest daleka. Nie zmienia to faktu, że praca japońskiego zespołu znacząco poszerza horyzonty możliwości. Pokazuje, że fundamenty pod przyszłą, szybszą i bardziej energooszczędną elektronikę są ciągle odkrywane w laboratoriach na całym świecie. To raczej powolny, ale stale postępujący marsz nauki, a nie nagła, spektakularna rewolucja.