Волчок размером с атом

Физики из МФТИ, ИРЭ РАН и Тринити-колледжа Дублина разработали теорию, которая описывает поведение крошечных магнитов за время, когда свет успевает пройти лишь долю миллиметра. Работа выполнена в рамках НЦМУ «Центр перспективной микроэлектроники» — научного центра мирового уровня, созданного на базе МФТИ при поддержке государственной программы прорывных исследований. Речь о пикосекундах — и о физике, без которой не будет сверхбыстрой магнитной памяти будущего.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Пикосекунда — это одна триллионная доля секунды. За это время импульс нервной клетки не успевает сдвинуться даже на нанометр, а процессор современного компьютера едва завершает один такт. Но именно на таких временах разворачиваются процессы, которые определят, насколько быстрой и компактной окажется память следующего поколения.

Магнитная запись информации существует уже больше полувека — от катушек с магнитной лентой до жестких дисков в серверных залах. Принцип везде один: намагниченность крошечного участка материала указывает либо «вверх», либо «вниз», кодируя ноль или единицу. Чем быстрее можно переключить это направление, тем выше скорость записи.

Современные устройства работают на частотах в гигагерцевом диапазоне — миллиарды операций в секунду. Но физики и инженеры уже смотрят дальше — в терагерцевый диапазон, где частоты в тысячу раз выше.

Здесь-то и начинаются трудности — не технические, а теоретические. Прежние математические модели, прекрасно работавшие для гигагерцевых частот, при переходе к терагерцам начинают давать сбой. Они упускают один эффект, который на коротких временах уже нельзя игнорировать.

Волчок, а не флюгер

Вектор магнитного момента можно образно представить как стрелку компаса, которая немедленно поворачивается вслед за изменением ориентации поля. Намагниченность наномагнитов ведет себя совсем иначе, прецессируя вокруг поля. А присущая намагниченности недавно подтвержденная инерционность существенно влияет на ее динамику, что отчетливо проявляется на ультракоротких временах.

«Если говорить простыми словами, то обычная теория описывает магнитный момент как вектор, прецессирующий вокруг магнитного поля. Но в сверхбыстрых процессах магнитный момент ведет себя скорее как тяжелый волчок: на прецессию вектора магнитного момента вокруг эффективного магнитного поля накладывается дополнительное осциллирующее движение — нутация вектора»,— объяснил Антон Титов, эксперт НЦМУ «Центр перспективной микроэлектроники», младший научный сотрудник лаборатории терагерцевой спинтроники МФТИ.

Нутация — это то самое покачивание оси, которое можно наблюдать у детского волчка, когда он начинает замедляться. Ось вращения не просто описывает конус вокруг вертикали — она еще и мелко подрагивает, совершая дополнительные колебания. Для волчка это хорошо заметно. Для магнитного момента в наночастице то же самое происходит за пикосекунды — и до сих пор математически корректного описания этого явления с учетом теплового шума и внешнего поля попросту не существовало.

Три жизни одного наномагнита

Исследователи выбрали в качестве модельной системы одноосный наномагнит — частицу, у которой есть два устойчивых состояния намагниченности, разделенных энергетическим барьером. Это классическая «яма с двумя минимумами». Вектор намагниченности находится в одной из ям и может перескочить в другую либо под действием внешнего поля, либо просто потому, что его «толкнули» тепловые флуктуации.

Когда к системе прикладывается внешнее поле, ямы становятся неравноценными: одна — глубже, другая — мельче. Это и есть рабочая ситуация для устройства памяти: поле записывает информацию, делая одно состояние предпочтительным.

Авторы построили теоретическую модель, учитывающую все сразу: тепловой шум, внешнее поле и инерционность намагниченности. Рассчитав спектр продольной (вдоль внешнего постоянного поля) магнитной восприимчивости — характеристику, описывающую отклик системы на переменное поле,— они выделили в нем три четко различимых максимума, соответствующих трем режимам релаксации.

Первый, медленный режим — это именно то переключение, которое используется для записи информации. Намагниченность перелетает из одной ямы в другую, преодолевая барьер. Это происходит относительно редко и медленно — тепловые флуктуации помогают, но барьер все равно нужно преодолеть.

Второй режим — промежуточный. Намагниченность остается внутри одной ямы, но не стоит на месте: она совершает прецессионно-нутационное движение, постепенно «успокаиваясь» до равновесного положения после возбуждения внешним полем. Это внутренняя жизнь наномагнита, не связанная с переключением между состояниями.

Третий режим — самый быстрый — и есть тот самый нутационный эффект. Именно он проявляется только в инерционной модели и невидим для традиционных безынерционных подходов. В спектре восприимчивости он дает отдельный пик в терагерцевом диапазоне.

От теории к памяти

Практическое значение работы выходит далеко за рамки одной красивой формулы. Разработанный метод позволяет рассчитывать восприимчивость ферромагнитных наночастиц в широком диапазоне частот — от низкочастотной области до терагерцевого диапазона, причем в реалистичных условиях: с тепловым шумом и под действием поля.

«Разработанный нами теоретический подход является универсальным. Он объединяет в себе как предыдущие достижения, основанные на традиционном рассмотрении безынерционных магнитодинамических процессов в спиновой системе, так и новые результаты, связанные с инерционностью намагниченности»,— отметил Антон Титов.

Универсальность здесь принципиальна: новая теория не отменяет старую, а включает ее как частный случай. При малых частотах, когда нутацией можно пренебречь, уравнения сводятся к известным результатам. При терагерцевых частотах инерционный член становится определяющим — и только тогда модель начинает работать в полную силу.

Результаты опубликованы в журнале Physical Review B. Исследование поддержано Российским научным фондом (грант №25-22-00119). Авторы работы: С. В. Титов (ИРЭ РАН), Н. В. Чукашев, А. С. Титов (МФТИ), У. Дж. Доулинг (Тринити-колледж Дублина), С. А. Никитов (ИРЭ РАН).

Татьяна Чернова