Команда исследователей под руководством профессора Анджея Мазевского с факультета физики Университета в Белостоке вошла в число победителей конкурса, организованного сетью M-ERA. NET 3. Физики совместно с партнерами из Испании и Турции реализуют проект «Материалы для сверхэффективной хиральной спинтроники» (Material for Ultraefficient Chiral SpinTronics – MUST). Основной целью исследования является поиск новых магнитных материалов, которые могли бы найти применение в информационных технологиях.
Как объясняет профессор Мазевский, постоянное развитие ИТ-индустрии предъявляет новые требования к передаче, чтению и записи данных. Наиболее важными параметрами являются скорость передачи информации и плотность ее записи. Новыми объектами, которые могут соответствовать этим двум критериям, являются спиральные спирали и скирмированные. За этими названиями скрываются специфические локальные, спиральные конфигурации намагничивания. Такие объекты, устойчивые при комнатных температурах, могут встречаться только в искусственно созданных материалах с определенными свойствами.
- Целью планируемых нами исследований является создание магнитных материалов с соответствующей геометрической структурой и описание поведения в них упомянутых объектов под воздействием внешнего магнитного поля или проходящего через них электрического тока. Мы намерены заняться изучением различных материалов в виде тонких и ультратонких слоев, которые являются перспективными в контексте вышеописанных требований: оксидов, нитридов и искусственных металлических конструкций. В изготовленных материалах можно будет контролировать и регулировать такие их свойства, как магнитная анизотропия, межслойная связь и распространение спиновых волн. Именно эти свойства будут полезны в практическом применении - объясняет профессор Анджей Мазевский.
По его словам, под термином «ультратонкие» скрываются слои, состоящие из нескольких атомных плоскостей. В таких структурах доля атомов, образующих границу слоя (интерфейс), значительна (например, в слое, содержащем пять атомных плоскостей, она составляет 40%). Поскольку магнитные свойства атомов интерфейса отличаются от тех, которые находятся в середине слоя, из-за другой симметрии окружающей среды, этот тип структуры характеризуется свойствами, отличными от свойств объемного материала. Эти специфические свойства встречаются в синтетических материалах и не наблюдаются в природе самопроизвольно. Исследования, проведенные международной командой, позволят получить материал с желаемыми свойствами путем проектирования соответствующей архитектуры многослойной системы.
- Металлические наноструктуры будут производиться в многослойной форме. Основным слоем будут ферромагнетики, то есть материалы, которые проявляют спонтанное намагничивание, например, кобальт или железо. Одним из наиболее интересных свойств ультратонких ферромагнитных слоев является возможность получения перпендикулярной магнитной анизотропии (PMA). Магнитные моменты (спины) всех атомов этого слоя, в результате так называемых взаимодействий, расположены параллельно друг другу — перпендикулярно поверхности слоя — и приводят к тому, что образец характеризуется постоянным, измеримым намагничиванием в этом направлении. Окружение магнитного слоя, выполненного из тяжелого металла (такого как вольфрам, платина, рень), вносит в систему дополнительное воздействие Дзялошинского-Мория (DMI). Это приводит к тому, что спины соседних атомов отклоняются друг от друга. Сочетание PMA и DMI может также привести к образованию упомянутых в начале скирмионов – локальных вихрей намагничивания диаметром до нескольких нанометров. Такие объекты устойчивы и могут быть перемещены, например, с помощью поляризованного электрического тока, в котором число электронов с противоположными спинами не равно, спинового тока — говорит профессор Мазевски.
Он добавляет, что описанные выше явления делают возможным быстрое развитие двух новых отраслей современной электроники: спинтроники и магноники. Первый использует возможность управления потоком электрического тока не только с помощью напряжения, но и магнитного поля. В обратном отношении спиновый ток может изменять намагниченность ферромагнетика без применения внешнего магнитного поля. Магноника, в свою очередь, использует явление распространения спиновых волн, которые являются формой движущегося ферромагнитного расстройства порядка. Спиновые волны могут распространяться не только в металлах, но и в изоляторах. Предполагается, что они будут служить носителем информации, требующим подачи значительно меньшего количества энергии, чем аналогичный электрический ток.
- Богатство этих взаимодействий, контролируемых внешними факторами, приводит к тому, что новые материалы, исследованные в нашем проекте, могут быть использованы для создания современных миниатюрных электронных устройств с беспрецедентной функциональностью и при этом минимальным потреблением энергии. Запланированные исследования будут также проводиться с целью минимизации энергии, необходимой для управления спин-волнами или скирмионами— резюмирует физик из Университета в Белостоке.
Это очень важно, потому что в настоящее время технологии, используемые для связи и передачи информации, потребляют около. 10% всей вырабатываемой в мире энергии.
Проект «Материалы для сверхпроизводительной хиральной спинтроники» будет реализован благодаря софинансированию конкурса M-ERA. NET, финансируемого из средств Европейского Союза. Программа M-ERA. NET направлена на поддержку и улучшение координации европейских научно-исследовательских программ в области материаловедения и инженерии в соответствии с принципами Европейского Зеленого Порядка, целью которого является достижение нулевого уровня выбросов парниковых газов к 2050 году.
Проект MUST возглавит Испанский национальный исследовательский совет в Барселоне. Этот центр имеет большие возможности для производства оксидных образцов (в основном гранатовых слоев) и нитридов, структурирования образцов, а также для различных характеристик и исследований полученных наноструктур. Командой в Барселоне руководит доктор Кан Авчи, который приобрел свои знания в области спинтроники, работая на должностях постдок в выдающихся научных центрах: MIT (США) и ETH Zurich (Швейцария). Доктор Авчи является автором работ в известных журналах: «Nature», «Physical Review Letter», получил престижный европейский грант ERC. Другой партнер - Университет Мармара в Стамбуле - специализируется на моделировании магнитных свойств наноструктур и моделировании различных типов процессов, например, перемагничивания. Руководителем команды будет доктор Канер Дегер.
С польской стороны членом международной команды будет консорциум двух центров: Университета в Белостоке (лидер) и Института физики Польской академии наук в Варшаве. Как напоминает профессор Анджей Мазевский, это уже очередной научный проект, реализуемый УвБ в сотрудничестве с Институтом физики Польской академии наук.
- Исследовательский потенциал наших команд, развитый при большой поддержке Национального центра нанофизики и спинтроники – SPINLAB, прекрасно дополняется. профессор Анджей Вавро из Института физики Польской академии наук и его коллеги очень хорошо освоили методы получения ультратонких металлических наноструктур и методы их характеризации. В свою очередь, мы располагаем на физическом факультете УвБ разнообразной аппаратурой: магнитооптической магнитометрии и микроскопии, спектроскопии негибкого рассеяния света Брилюэна, что позволяет изучать магнитную анизотропию, взаимодействие Дзялошинского-Мории и магнитную упорядоченность - говорит профессор Мазевски.
Сотрудничество партнеров из Польши, Испании и Турции обеспечит реализацию всех поставленных задач, то есть производство материалов, их структурирование, экспериментальное исследование описанных в проекте свойств и численное моделирование, усиливающее интерпретацию полученных результатов. Кроме того, для реализации проекта планируется, между прочим, трудоустройство докторантов (в том числе по одному в Белостоке и Варшаве) и постдоков.
Список проектов с участием исследовательских групп из Польши, квалифицированных для финансирования в конкурсе M-ERA. NET 3, можно найти на сайте Национального научного центра.
