צוות מאוניברסיטת טוקיו הדגים לראשונה הדמיה בזמן-אמת של מיתוג מגנטיזציה בחומר האנטיפרומגנטי Mn3Sn (תרכובת של מנגן ובדיל). החוקרים זיהו שני מנגנוני מיתוג נפרדים – תרמי ולא-תרמי – ומציעים שההיפוך המהיר במיוחד עשוי לשמש בסיס לדור חדש של זיכרונות ולוגיקה ספינטרוניים אולטרה-מהירים ובלתי נדיפים
חוקרים הצליחו לראשונה לצפות באופן ישיר בשני מנגנונים נפרדים שבאמצעותם הספינים של אלקטרונים מתהפכים בתוך חומר אנטיפרומגנטי – סוג של חומר שבו כיווני הספין המנוגדים מבטלים זה את זה. אחד ממסלולי ההיפוך הללו עשוי לשמש בסיס לפיתוח טכנולוגיות זיכרון ולוגיקה אולטרה-מהירות ובלתי נדיפות, שיפעלו הרבה יותר מהר מהמערכות המתקדמות ביותר הקיימות כיום. המחקר פורסם לאחרונה בכתב העת Nature Materials.
במהלך ההיסטוריה של המחשוב, מידע ייצגנו כ-0 ו-1 באמצעות אמצעים שונים: מנייר מנוקב ומוטות מתכת, דרך שפופרות ריק ועד לטרנזיסטורים. ככל שהדרישה לעוצמת חישוב ממשיכה לעלות, חוקרים מחפשים דרכים חדשות לקודד נתונים.
חומרים אנטיפרומגנטיים הפכו למועמדים מבטיחים במסגרת חיפוש זה, משום שההתנהגות המגנטית הלא-שגרתית שלהם – או למעשה כמעט היעדר תגובה מגנטית – יכולה לאפשר כתיבה של מידע דיגיטלי בדרכים חדשות לגמרי.
העבודה בוצעה בידי צוות בראשות ריו שימאנו (Ryo Shimano) מאוניברסיטת טוקיו.
„במשך שנים רבות", אומר שימאנו, „מדענים האמינו שחומרים אנטיפרומגנטיים כמו Mn₃Sn (מנגן-בדיל, Mn3Sn) מסוגלים להחליף את המגנטיזציה שלהם במהירות עצומה. אבל לא היה ברור אם מיתוג בלתי נדיף כזה יכול להסתיים בתוך כמה עד עשרות פיקו-שניות, או כיצד בדיוק משתנה המגנטיזציה במהלך תהליך ההיפוך".
פתרון לחידה ותיקה
השאלה הגדולה הייתה האם המנגנון מונע בידי החום שמופק מהזרם החשמלי, או בידי הזרם עצמו. כדי לענות על כך, יצאו החוקרים „לצלם" את המנגנון. הם הכינו שכבה דקה של Mn3Sn והעבירו דרכה פולסים קצרים של זרם חשמלי. לאחר מכן, באמצעות הבזקי אור אולטרה-מהירים ומתוזמנים בדיוק, שנשלחו בעיכובים שונים ביחס לפולס החשמלי, הם ניסו ליצור „תמונת סטופ-מושן" של השינוי במגנטיזציה.
המדידה התבססה על מיקרוסקופיה מגנטו-אופטית רגישה במיוחד, המנטרת שינויים זעירים מאוד באות האופטי.
„החלק המאתגר ביותר בפרויקט", נזכר שימאנו, „היה למדוד את השינויים הזעירים באות המגנטו-אופטי. אבל הופתענו לגלות עד כמה תהליך המיתוג נראה בבירור ברגע שמצאנו את השיטה הנכונה".
שני מנגנונים נחשפים
התוצאה הייתה משהו שלא נראה עד כה: ויזואליזציה פריים-אחר-פריים של השינוי בדפוס המגנטי. הרצף הראה שהמיתוג מתרחש בשני תהליכים מובחנים, בהתאם לעוצמת הזרם: תהליך אחד מונע תרמית כאשר הזרם גדול, ותהליך שני שאינו מלוּוה בחימום משמעותי כאשר הזרם חלש יותר.
התהליך הלא-תרמי, המתרחש בעוצמות זרם נמוכות, עשוי לספק בסיס לפיתוח התקני ספינטרוניקה אמינים לדור הבא – עבור מחשוב, תקשורת ואלקטרוניקה מתקדמת. היכולת לבצע היפוך ספינים אולטרה-מהיר ללא חימום משמעותי היא מפתח קריטי לזיכרונות מהירים ובלתי נדיפים.
לדברי שימאנו, הממצאים פותחים דלת לחקר גבולות חדשים:
„התצפית המהירה ביותר שלנו על מיתוג חשמלי ב-Mn₃Sn היא 140 פיקו-שניות (140 טריליוניות השנייה), והמגבלה העיקרית מגיעה מאורך פולסי הזרם שניתן לייצר במכשיר שלנו. עם זאת, הממצאים מרמזים שהחומר עצמו עשוי להתהפך אפילו מהר יותר בתנאים מתאימים. בעתיד אנחנו שואפים לחקור את הגבולות האולטימטיביים הללו באמצעות יצירת פולסי זרם קצרים עוד יותר ואופטימיזציה של מבנה ההתקן".
עוד בנושא באתר הידען:
