Ученые ДВФУ усовершенствовали магнитные нанопроволоки-медузы для эффективного хранения информации

Учёные из Дальневосточного федерального университета усовершенствовали магнитные нанопроволоки-медузы — крошечные структуры, которые могут использоваться в электронике для хранения и обработки информации: если раньше каждая проволока состояла из одного металла, то теперь она сделана из двух слоёв — кобальта и никеля, что позволяет записывать больше данных на ту же площадь и делает такие устройства значительно дешевле. Кроме того, исследователи впервые смогли измерить, как электрический ток проходит через одну нанопроволоку, а не через их скопление для более точного контроля работы наноструктур. Всё это повысит эффективность самых разных компьютерных систем — от крупных центров обработки данных до бортовых систем автомобилей, спутников и роботов.

Применение разработанного в лаборатории ДВФУ метода (был ранее описан и опубликован в авторитетном еженедельном международном научном журнале Small) помогло учёным получить не простые наноцилиндры, а наноструктуры со сложной трёхмерной формой. У каждой из них есть широкая «голова» диаметром около 300 нанометров из которой выходят длинные и тонкие «ножки» диаметром порядка 100 нанометров, что в сотни раз тоньше человеческого волоса.

В новой работе нанопроволоки сделали составными: в одной части — кобальт, в другой — никель. Эти материалы, хоть и стоят рядом в таблице Менделеева, имеют совсем разные магнитные свойства. Так, намагниченность в никеле ориентируется согласно форме нанообъекта и выстраивается вдоль длинной стороны наноцилиндра. В кобальте же поведение намагниченности более сложное: его кристаллическая решетка стремится развернуть намагниченность поперек длинной стороны наноструктуры, работая против упорядочивания согласно форме. Проще говоря, намагниченность никеля выстраивается вдоль стержня, а в кобальте стремится развернуться поперёк.

Такое поведение намагниченности в кобальтовых нанопроволоках является очень интересным с фундаментальной точки зрения, а также позволяет проектировать на основе такого эффекта устройства магнитной памяти, — отметил автор исследования, доцент Департамента общей и экспериментальной физики ИТПМ ДВФУ Алексей Юрьевич Самардак.

Самое удивительное открытие касается магнитных взаимодействий между нанопроволоками. Намагниченность кобальта выше, чем у никеля, а значит, по всем законам физики, он должен оказывать более сильное влияние на соседей. Однако эксперименты показали обратное: поле взаимодействия в нанопроволоках с кобальтом составляет примерно 700 Эрстед, в то время как в нанопроволоках из чистого никеля это значение достигает 1090 Эрстед. Причина — в той самой внутренней структуре кобальта, которая заставляет намагниченность замыкаться в обьёме наноструктуры и ориентироваться перпендикулярно форме, создавая тем самым магнитные вихри, которые практически не создают магнитных полей за границами наноструктур. Это было подтвержждено с помощью магнитно-силовой микроскопии: если никелевые проволоки показывали яркие магнитные полюса на концах, то кобальтовые выглядели практически невидимыми для зонда микроскопа. Такое снижение важно для устройств с высокой плотностью элементов: оно позволяет размещать наноструктуры ближе друг к другу, снижая взаимное влияние их магнитных состояний.

Чтобы проверить, как новая структура поведет себя в реальном устройстве, ученые подвели к нанопроволоке четыре контакта и пропустили через неё электрический ток, впервые в стенах ДВФУ измерив сопротивление одиночной нанопроволоки под действием магнитного поля. В проволоках с кобальтовым и никелевым сегментами удалось получить изменение сопротивления до одного процента и, что принципиально важно, четкую двухступенчатую картину переключения. Это означает, что, управляя внешним полем, можно последовательно переключать проволоку между несколькими устойчивыми состояниями, что открывает возможность для создания многоуровневой памяти.

Сейчас разработка находится на этапе исследования свойств отдельных наноструктур. Для создания полноценных устройств хранения данных предстоит проверить стабильность состояний, воспроизводимость записи и считывания информации, а также возможность интеграции нанопроволок в функциональные схемы.

В перспективе такие структуры могут применяться в спинтронных устройствах, компактных сенсорах, высокоплотных системах хранения данных и элементах вычислительных архитектур, использующих принципы обработки информации, характерные для нейронных сетей.

Результаты исследования вносят вклад в развитие трехмерного наномагнетизма и демонстрируют, как управление составом и геометрией материала позволяет целенаправленно формировать его магнитные и электрические свойства.

Работа по созданию трехмерных магнитных наноструктур, свойства которых можно целенаправленно настраивать на этапе проектирования через комбинацию их сложной формы и состава, выполнена командой Института наукоемких технологий и передовых материалов ДВФУ под руководством доцента Алексея Самардака при поддержке Российского научного фонда. Результаты опубликованы в международном научном журнале Materials Today Nano .

Фото: ДВФУ

Источник: Минобрнауки России