Большинство магнитов, с которыми мы сталкиваемся ежедневно, сделаны из "ферромагнитных" материалов. Магнитные оси север-юг большинства атомов в этих веществах выстроены в одном направлении, поэтому их коллективная сила достаточно высока, чтобы вызвать значительное притяжение. Эти материалы составляют основу большинства устройств хранения данных в современном мире высоких технологий.
Реже встречаются магниты на основе ферримагнитных материалов с буквой "i". В них одни атомы выровнены в одном направлении, а другие направлены прямо противоположным образом. В результате общее магнитное поле, которое они создают, зависит от баланса между двумя типами — если больше атомов направлено в одну сторону, чем в другую, эта разница создает чистое магнитное поле в этом направлении.
В принципе, из-за того, что на их магнитные свойства сильно влияют внешние силы, ферримагнетики должны иметь возможность создавать хранилища данных или логические схемы, которые работают намного быстрее и могут упаковывать больше данных в заданное пространство, чем современные традиционные ферромагнетики. Но до сих пор не существовало простого, быстрого и надежного способа переключения ориентации этих магнитов, чтобы переключиться с 0 на 1 на устройстве хранения данных.
Исследователи из Массачусетского технологического института и других организаций разработали такой метод — способ быстрого переключения магнитной полярности ферримагнетика на 180 градусов с использованием лишь небольшого приложенного напряжения. По словам исследователей, открытие может ознаменовать новую эру ферримагнитной логики и устройств хранения данных. Результаты опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.
В новой системе используется пленка из материала под названием гадолиний-кобальт, входящего в класс материалов, известных как ферримагнетики из редкоземельных переходных металлов. В нем два элемента образуют взаимосвязанные решетки атомов, причем атомы гадолиния предпочтительно имеют свои магнитные оси, ориентированные в одном направлении, в то время как атомы кобальта указывают в противоположном направлении. Баланс между ними в составе сплава определяет общую намагниченность материала.
Но исследователи обнаружили, что, используя напряжение для разделения молекул воды вдоль поверхности пленки на кислород и водород, кислород может быть удален, в то время как атомы водорода — или, точнее, их ядра, которые являются отдельными протонами, — могут глубоко проникать в материал, и это изменяет баланс магнитных ориентаций. Этого изменения достаточно, чтобы переключить чистую ориентацию магнитного поля на 180 градусов — именно такой полный оборот необходим для таких устройств, как магнитная память.
По словам одного из руководителей работы, поскольку это изменение достигается просто изменением напряжения, а не приложенным электрическим током, который может вызвать нагрев и, следовательно, потерю энергии из-за рассеивания тепла, этот процесс очень энергоэффективен.
Вы могли бы подумать, что если вы возьмете какой-то материал и закачаете в него другие атомы или ионы, вы его расширите и расколите. Но в силу того факта, что протон является таким маленьким объектом, он может проникнуть в основную часть этого материала, не вызывая структурной усталости, которая приводит к разрушению. Эта стабильность была доказана в ходе изнурительных испытаний. По словам ученых, материал был подвергнут 10 000 изменениям полярности без каких-либо признаков деградации.
По словам исследователей, этот материал обладает дополнительными свойствами, которые могут найти полезное применение. Они объясняют, что магнитное выравнивание между отдельными атомами в материале работает как пружина. Если один атом начинает выходить из равновесия с другими, эта пружинная сила тянет его назад. А когда объекты соединяются пружинами, они имеют тенденцию генерировать волны, которые могут перемещаться по материалу.
Фактически, они могут колебаться вверх до терагерцового диапазона, что делает их уникальными, способными генерировать или воспринимать очень высокочастотное электромагнитное излучение. Не многие материалы на это способны.
Относительно простые применения этого явления в виде датчиков могут быть возможны в течение нескольких лет, но более сложные, такие как схемы данных и логические схемы, потребуют больше времени, отчасти потому, что вся область технологии на основе ферримагнетиков относительно новый.