Экспериментальная установка и результаты.
Кредит: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49716-w

Ожидается, что вскоре центры хранения данных будут потреблять почти 10% мировой генерации энергии. Этот рост, помимо прочего, обусловлен внутренними ограничениями используемых материалов — ферромагнетиков. Следовательно, эта проблема подстегнула поиск более быстрых и энергоэффективных материалов.

Одним из самых обнадеживающих путей являются антиферромагнетики — материалы, которые не только обещают более надежные и в 1000 раз более быстрые операции чтения и записи, но и более распространены, чем их ферромагнитные аналоги. Понимание и контроль этих квантовых материалов являются ключом к развитию будущих технологий. Международная исследовательская группа теперь сообщает о важном шаге вперед в этом начинании.

Взаимодействие между спинами и кристаллической решеткой материала имеет важное значение в спинтронных приложениях, поскольку они используют спин — магнитный момент электрона — для записи информации в магнитные биты. В ферромагнитных материалах эти спины сильно взаимодействуют, создавая эффект ряби, известный как спиновая волна, которая может проходить через материал.

Спиновые волны интересны тем, что они могут переносить информацию без перемещения электронов, в отличие от электрических токов в современных компьютерных чипах, что означает меньшее выделение тепла. И так же, как свет можно рассматривать как квантованные частицы, называемые фотонами, спиновые волны имеют свои собственные квазичастицы, называемые магнонами.

С другой стороны, когда атомы в решетке материала колеблются равномерно, это движение описывается квазичастицами, называемыми фононами.

Исследования команды были сосредоточены на антиферромагнитном материале дифториде кобальта (CoF₂), где магноны и фононы сосуществуют. В этом материале соседние спины выровнены антипараллельно, что позволяет спиновой динамике в тысячу раз быстрее, чем в обычных ферромагнитных материалах.

Это достижение может привести к более быстрой и энергоэффективной записи битов данных. Ученые возбуждают эту спиновую динамику, соединяя ее со световыми импульсами на терагерцовых частотах.

Кроме того, так называемый резонанс Ферми, впервые описанный почти столетие назад в углекислом газе, происходит на атомном и молекулярном уровне, когда взаимодействуют две колебательные моды, вызванные поглощением тепловой энергии, и одна из них в два раза превышает частоту другой. Принцип резонанса Ферми до сих пор был распространен на магнонные или фононные системы.

Однако в этой работе ученые впервые добились сильной связи между спином и кристаллической решеткой, которая представляет собой взаимный перенос энергии между этими подсистемами антиферромагнитно упорядоченного материала. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Магноны и фононы синхронизированы

В этом проекте экспериментальные и теоретические ученые, занимающиеся конденсированными средами из Института молекул и материалов (IMM) Университета Радбауд, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Кельнского университета и Института Иоффе, открыли новый канал передачи энергии между магнонами и фононами в антиферромагнетике в условиях резонанса Ферми. Это может позволить в будущем контролировать такие антиферромагнитные системы для более быстрого и энергоэффективного хранения данных.

Используя интенсивный и спектрально яркий сверхизлучающий источник ТГц на основе ускорителя в Центре источников мощного излучения ELBE HZDR, исследователи селективно возбудили антиферромагнитный спиновый резонанс и настроили его центральную частоту с помощью сильного внешнего магнитного поля до нескольких Тесла. Такая конфигурация позволила им настроить частоты спинового резонанса на половину частоты колебаний решетки, что соответствует условию резонанса Ферми.

Исследователи обнаружили новый режим связанной магнон-фононной динамики, который позволяет осуществлять обмен энергией между этими двумя подсистемами при резонансе Ферми. Настраивая частоты магнонов, исследователи могут контролировать этот процесс и, в частности, усиливать магнон-фононную связь.

Этот новый режим наблюдался как расширение фононных спектров и асимметричное перераспределение фононного спектрального веса. В конечном счете, их результаты предполагают гибридизированное состояние двух магнонов и одного фонона. Их работа может оказаться важной в областях магноники и фононики, где когерентный контроль энергии играет центральную роль.

Инновационные функции в будущем хранении данных

Результаты исследования предлагают путь для управления спин-решеточной связью по требованию. Во-первых, это позволяет значительно увеличить рабочую частоту с обычного уровня ГГц, предлагаемого ферромагнитными материалами, до уровня ТГц в антиферромагнитных материалах. Во-вторых, это может значительно повысить эффективность магнитной записи, что, в свою очередь, снизит минимальное количество энергии, необходимое для операций записи битов, тем самым значительно снизив общее потребление энергии.

Таким образом, результаты предлагают инновационный способ управления динамикой антиферромагнетиков, что приводит к концептуально новым технологиям хранения данных на основе таких материалов. В будущих исследованиях исследовательская группа намерена изучить, можно ли расширить условие резонанса Ферми для управления другими новыми квантовыми материалами, что потенциально приведет к продвижению материаловедения и технологий.