Znajdź zawartość

Naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego stworzyli kwantowy nanomagnes o wyjątkowych właściwościach. To krok w kierunku nowych rodzajów komputerowych pamięci i procesorów. Zespół Uniwersytetu Jagiellońskiego pod kierunkiem dr. hab. Dawida Pinkowicza, na łamach prestiżowego pisma „Nature Communications” opisał unikalną cząsteczkę – nowego typu metaloorganiczny nanomagnes kwantowy. Nanomagnesy badane są już od lad 90, ale polski zespół stworzył strukturę, która w skali nano przypomina te, jakie stosuje się w zwykłych, dużych magnesach. W nowej cząsteczce centralny jon magnetyczny otoczony jest wyłącznie przez inne jony metali. Molekuła składa się bowiem z centralnego jonu erbu (metal ziem rzadkich), który łączy się z trzema ciężkimi jonami renu (metal przejściowy). To pozwala zbliżyć się do cenionych właściwości, jakie wykazują duże, makroskopowe magnesy. Choć praktyczne zastosowania molekularnych magnesów raczej nie pojawią się w najbliższej przyszłości, to w dłuższej perspektywie takie badania mogą odmienić kluczowe dla cywilizacji dziedziny, np. informatykę. W pierwszej kolejności nanomagnesy kwantowe mają szansę zastąpić dotychczas stosowane materiały magnetyczne tam, gdzie już osiągnęły one granicę swoich możliwości. Tak jest właśnie w przypadku magnetycznych dysków twardych. Ich dalszy rozwój jest już ograniczony przez same prawa fizyki, które nie pozwalają na dalszą miniaturyzację domen magnetycznych stanowiących podstawową jednostkę pamięci - wyjaśnia mgr Michał Magott, członek grupy badawczej. W dalszej kolejności nanomagnesy mają szansę na zastosowanie w konstrukcji tranzystorów, a właściwie spintronicznych tranzystorów, które mogą w przyszłości zastąpić tradycyjne tranzystory w układach elektronicznych, a do ich konstrukcji potrzebne jest właśnie źródło magnetyzmu naszych nanomagnesów, czyli spin elektronu – dodaje. Jednym z kluczowych zadań, przed którymi stoją projektanci nanomagesów, jest uzyskanie takich struktur, które będą działały w temperaturze pokojowej. Obecnie wymagają one zwykle silnego chłodzenia, co utrudnia lub wręcz uniemożliwia praktyczne zastosowania. Dopiero w 2020 r. jedna z grup zajmujących się tym tematem uzyskała molekularny magnes, który działa w temperaturze ok. minus 30 stopni. To ogromny sukces. Mamy nadzieję, że nasze odkrycie zadziała w podobny sposób - zaproponowaliśmy zupełnie nową strategię syntezy molekularnych nanomagnesów, która umożliwia otrzymanie cząsteczek, naśladujących struktury stosowanych przemysłowo magnesów metalicznych. Liczymy na to, że właśnie ta nowa ścieżka syntetyczna będzie potrzebną zmianą strategii, która umożliwi otrzymanie wysokotemperaturowych molekularnych nanomagnesów – mówi mgr Magott. Badacza i jego kolegów czekają teraz dalsze, żmudne badania. Na razie udało nam się pokazać, że ta nowa strategia syntetyczna jest skuteczna i pozwala na otrzymanie świetnego nanomagnesu. Teraz trzeba przeprowadzić setki (może nawet tysiące) prób z wykorzystaniem tego nowego podejścia, aż uda się otrzymać taki nanomagnes, który nada się do zastosowań praktycznych – podkreśla naukowiec. Badania nad nanomagnesem ErRe 3 zostały sfinansowane przez Narodowe Centrum Nauki w ramach projektu Sonata Bis 6. « powrót do artykułu

Główny autor badań, Maciej Dąbrowski z University of Exeter mówi, że uzyskane przez nas eksperymentalne potwierdzenie istnienie mechanizmu przemijających fal spinowych pokazuje, że transfer momentu pędu pomiędzy spinami a strukturą krystaliczną antyferromagnetyka można uzyskać w cienkowarstwowym NiO. To otwiera drogę do zbudowania nanoskalowych wzmacniaczy prądu spinowego. Doktor Dąbrowski jest głównym autorem opublikowanego na łamach Physical Review Letters artykułu, którego autorzy informują o dokonaniu przełomu w dziedzinie spintroniki. Przełomu, który może doprowadzić do powstania energooszczędnych, niezwykle wydajnych urządzeń elektronicznych. Obecnie technologie informacyjne opierają się na elektronice. Do przechowywania i przenoszenia danych wykorzystujemy ładunek elektronu. Intensywnie jednak rozwija się spintronika, która do tych samych zadań wykorzystuje nie ładunek, a spin elektronu. Przed trzema laty informowaliśmy, że naukowcy z Instytutu Fizyki PAN badają możliwość przenoszenia informacji przez fale spinowe. Wyobraźmy sobie materiał magnetyczny, w którym wszystkie spiny są jednakowo ukierunkowane. Jeśli odchylę jeden spin, to będzie próbował on wrócić do swojego punktu równowagi. Jednak jego ruch wychwyci już spin sąsiedniego elektronu i on również się wychyli. Przez wzajemne oddziaływanie między spinami to wychylenie – czyli zaburzone lokalnie namagnesowanie – będzie się rozchodziło w materiale, przyjmując formę fali. To właśnie nazywamy falą spinową, tłumaczyła wówczas doktor Ewa Milińska. Teraz naukowcy z Uniwersytetów w Exeter, Oksfordzie, Berkeley oraz uczeni z Advanced Light Source i Diamond Light Source dowiedli eksperymentalnie, że zmienne prądy spinowe o wysokiej częstotliwości mogą być przesyłane i wzmacniane w cienkiej warstwie tlenku niklu (NiO). Eksperymenty wykazały, że prąd spinowy w cienkowarstwowym NiO jest propagowany przez krótkotrwałe fale spinowe. Mamy tutaj do czynienia ze zjawiskiem podobnym do tunelowania kwantowego. Zjawisko to zachodzi w temperaturze pokojowej i odbywa się przy częstotliwościach liczonych w gigahercach, dzięki czemu w przyszłości można je będzie wykorzystać do energooszczędnego i szybkiego przekazywania danych. Tymczasem naukowcy już myślą o udoskonalaniu spintroniki. W Instytucie Fizyki Jądrowej PAN trwają prace nad raczkującą dopiero magnoniką. « powrót do artykułu

Jeszcze szybsze procesory, o jeszcze mniejszych rozmiarach? Tam, gdzie z wydajnością i miniaturyzacją nie poradzą sobie ani elektronika, ani spintronika, na ratunek przyjdzie magnonika. Lecz zanim to się stanie, naukowcy muszą się nauczyć, jak dokładnie symulować przepływy fal magnetycznych przez kryształy magnoniczne. W Instytucie Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie właśnie wykonano ważny krok w tym kierunku. Można się kłócić, czy liczba dziur w serze ma związek z jego jakością czy nie. Fizycy zajmujący się materiałami magnonicznymi nie mają takich dylematów: im więcej dziur w materiale, tym jego właściwości magnetyczne stają się ciekawsze, ale i radykalnie trudniejsze do opisania i modelowania. W artykule opublikowanym w czasopiśmie Scientific Reports grupa fizyków doświadczalnych i teoretycznych z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie zaprezentowała nowy, doświadczalnie zweryfikowany model, który po raz pierwszy pozwala z dużą dokładnością symulować lokalne zmiany właściwości magnetycznych kryształów magnonicznych. Pod tą egzotyczną nazwą kryją się cienkie, wielowarstwowe struktury metaliczne zawierające regularną siatkę mniejszych lub większych, mniej lub bardziej stykających się ze sobą okrągłych dziur. Krakowskie analizy sugerują ponadto, że zjawiska magnetyczne zachodzące w kryształach magnonicznych są bardziej złożone niż dotychczas przewidywano. Wielowarstwowe struktury metaliczne o regularnej siatce okrągłych dziur są badane od niedawna – i nie bez problemów. Rzecz w tym, że owa sieć dziur w dramatyczny sposób zmienia właściwości magnetyczne układu, zwłaszcza sposób, w jaki propagują się w nim fale magnetyczne. Zjawiska stają się tak skomplikowane, że dotychczas nikt nie potrafił ich dobrze opisać i symulować - mówi dr inż. Michał Krupiński (IFJ PAN). Elektronika to przetwarzanie informacji za pomocą ładunków elektrycznych elektronów przepływających przez układ. Spintronika, typowana na następczynię elektroniki, również korzysta ze strumieni elektronów, zwraca jednak uwagę nie na ich ładunek elektryczny, lecz na spin (innymi słowy: na właściwości magnetyczne). Na tle obu tych dziedzin magnonika wyróżnia się w sposób zasadniczy. W urządzeniach magnonicznych nie ma żadnych zorganizowanych przepływów nośników. Tym, co przepływa przez układ, są bowiem fale magnetyczne. Różnice między wspomnianymi dziedzinami łatwiej zrozumieć dzięki analogii ze światem sportu. Gdy stadion zapełnia się lub opróżnia, w jego obrębie płyną strumienie ludzi. Gdyby działała tu elektronika, zwracałaby uwagę na liczbę ludzi wchodzących lub wychodzących ze stadionu. Spintronika także przyglądałaby się przepływom ludzi, ale interesowałyby ją ruchy osób o włosach ciemnych bądź jasnych. W tej analogii magnonika zajmowałaby się przepływem... meksykańskich fal. Takie fale potrafią okrążyć cały stadion mimo faktu, że żaden kibic nie oddala się od swojego fotela. Swoje kryształy magnoniczne fizycy z Krakowa wytwarzali z użyciem metody wynalezionej przez prof. Michaela Giersiga z Freie Universität Berlin, a rozwiniętej w IFJ PAN przez dr. Krupińskiego. Pierwszy krok polega tu na naniesieniu nanocząstek z polistyrenu na niemagnetyczne podłoże (np. krzem). Kulki samoczynnie się porządkują, przy czym w zależności od warunków mogą to robić w różny sposób. Podłoże pokryte uporządkowanymi kulkami zostaje następnie poddane w komorze próżniowej działaniu plazmy, co pozwala w kontrolowany sposób zmniejszać średnicę kulek. Na tak przygotowaną próbkę nanosi się cienkie warstwy odpowiednich metali, jedna po drugiej. Po naniesieniu wszystkich warstw materiał przemywa się rozpuszczalnikami organicznymi w celu usunięcia kulek. Efektem końcowym jest periodyczna struktura przypominająca mniej lub bardziej gęste sito, trwale przyklejone do krzemowego podłoża (potencjalnie nie musi być ono sztywne, grupa z IFJ PAN potrafi wytwarzać również podobne struktury np. na podłożach z elastycznych polimerów). Badane przez nas układy składały się z 20 naprzemiennie ułożonych warstw kobaltu i palladu. Są to struktury bardzo cienkie. Ich grubość wynosi zaledwie 12 nanometrów, co odpowiada mniej więcej 120 atomom - informuje dr Krupiński. W zależności od rozmiarów dziur, między miejscami ich styku tworzą się większe lub mniejsze obszary o kształtach zbliżonych do trójkąta. Atomy w obrębie tych obszarów można magnesować w ten sam sposób, tworząc tzw. bąble magnetyczne. Bąble mogą służyć do przechowywania informacji, a zmiany ich namagnesowania pozwalają na propagowanie się fal magnetycznych w układzie. Model teoretyczny, zbudowany w IFJ PAN pod kierunkiem dr. inż. Pawła Sobieszczyka, opisuje zjawiska magnetyczne zachodzące w kryształach o wielkości dwa na dwa mikrometry. W skali mikroświata rozmiary te są ogromne: liczba atomów jest tak duża, że symulowanie zachowań pojedynczych atomów przestaje być możliwe. Jednak z uwagi na wzajemne oddziaływanie magnetyczne, momenty magnetyczne sąsiednich atomów zwykle są zorientowane w prawie tym samym kierunku. Spostrzeżenie to pozwoliło pogrupować atomy w małe objętości (woksele), które można było traktować jak pojedyncze obiekty. Zabieg ten radykalnie obniżył złożoność obliczeniową modelu i umożliwił przeprowadzenie symulacji numerycznych, które zrealizowano w Akademickim Centrum Komputerowym Cyfronet AGH w Krakowie. Kluczem do sukcesu okazał się pomysł uwzględnienia w modelu niedoskonałości spotykanych w rzeczywistych kryształach magnonicznych - mówi dr Sobieszczyk i wylicza: Przede wszystkim rzeczywiste struktury nigdy nie są idealnymi kryształami. Zwykle to zlepki wielu kryształków zwanych krystalitami. W zależności od rozmiarów i kształtu, krystality mogą mieć różne właściwości magnetyczne. Co więcej, w układzie mogą się pojawić zanieczyszczenia chemiczne. Powodują one, że pewne obszary materiału tracą właściwości magnetyczne. Wreszcie, poszczególne warstwy metaliczne mogą być miejscami cieńsze, miejscami grubsze. Nasz model działa tak precyzyjnie, ponieważ uwzględnia wszystkie te efekty. Zaprezentowany model przewiduje istnienie ciekawego, dotychczas nieobserwowanego zjawiska. Gdy dwa sąsiednie bąble są namagnesowane przeciwnie, momenty magnetyczne atomów między nimi mogą zmieniać swoją orientację albo obracając się równolegle do płaszczyzny warstwy, albo prostopadle. Między bąblami tworzy się wówczas coś w rodzaju ścian, w pierwszym przypadku nazywanych ścianami Blocha, w drugim – ścianami Néela. Dotychczas zakładano, że w danym krysztale magnonicznym mogą występować tylko ściany jednego rodzaju. Model opracowany przez fizyków z IFJ PAN sugeruje, że w tym samym krysztale możliwe jest występowanie ścian magnetycznych obu rodzajów. Magnonika dopiero raczkuje. Droga do złożonych procesorów – mniejszych, szybszych, na dodatek o strukturze logicznej, którą można byłoby przeprogramowywać zależnie od potrzeb – jest jeszcze daleka. Pamięci magnoniczne i nowatorskie czujniki, zdolne wykrywać niewielkie ilości substancji, wydają się bardziej realne. Zrozumienie mechanizmów odpowiedzialnych za własności magnetyczne kryształów magnonicznych i sposoby przepływu fal magnetycznych przybliża nas ku tego typu urządzeniom. To ważny krok, po którym z pewnością przyjdą następne. « powrót do artykułu