Američtí vědci odemkli atomový magnetismus: Cesta k superrychlé a úsporné elektronice pro AI

Vědci z Argonne National Laboratory (ANL) v USA dosáhli významného pokroku v oblasti elektroniky nové generace.

Vědci z Argonne National Laboratory (ANL) v USA dosáhli významného pokroku v oblasti elektroniky nové generace. Podařilo se jim odhalit chování magnetismu na atomární úrovni, což otevírá cestu k revolučním změnám v ukládání a zpracování dat.

Jejich nejnovější výzkum se zaměřuje na spintroniku, technologii, která pro zpracování a ukládání dat využívá spin elektronů namísto jejich náboje, což slibuje výrazně vyšší efektivitu. Rostoucí nároky na zpracování dat, zejména v oblasti umělé inteligence a datově náročných výpočtů, tlačí konvenční elektroniku na hranice jejích možností. Spintronika nabízí řešení v podobě rychlejšího a energeticky úspornějšího zpracování dat. Spin elektronů generuje miniaturní magnetická pole, která kódují informace v extrémně malém měřítku, což vyžaduje přesnou kontrolu na nanometrové úrovni pro zařízení nové generace.

Tým ANL studoval ultratenké van der Waalsovy magnety a odhalil, jak se formují a vyvíjejí magnetické domény v nanoměřítku. To nabízí novou úroveň kontroly nad informačními stavy. Ultratenké van der Waalsovy magnety, které lze zmenšit na pouhých několik atomových vrstev, se ukázaly jako slibné materiály pro tyto aplikace. Poskytují platformu pro přesnou manipulaci s magnetickými stavy nezbytnými pro elektroniku nové generace. Studie ukázala, že variace v tloušťce materiálu významně ovlivňují, jak se domény formují, vyvíjejí a reagují na vnější magnetická pole. Pochopení těchto efektů je klíčové pro předpovídání chování materiálu a navrhování rychlejších, menších a účinnějších spinových elektronických zařízení.

Vědci zkoumali tento jev pomocí Fe₃GeTe₂, van der Waalsova feromagnetu se silným spintronickým potenciálem. Materiál byl ochlazen na přibližně -173 °C pomocí kapalného dusíku, aby si udržel magnetismus. Aplikací magnetického pole během chlazení vědci vytvořili kontrolované magnetické vzory, což umožnilo formování a manipulaci s odlišnými doménovými stavy na vyžádání. Každý pozorovaný doménový vzor odhalil, jak se spiny elektronů organizují v nanoměřítku, což poskytlo poznatky, které byly dříve odvozovány pouze z celkové magnetizace. K přímému studiu těchto efektů vědci použili kryogenní Lorentzovu transmisní elektronovou mikroskopii, techniku, která zobrazuje magnetické struktury v ultratenkých materiálech při extrémně nízkých teplotách. Experimenty prováděné v Centru pro nanomateriály ANL umožnily sledování magnetického chování v reálném čase v jediné vločce Fe₃GeTe₂ během reverze magnetizace.

Studie ukázala, že tloušťka materiálu a aplikovaná magnetická pole silně ovlivňují velikost, hustotu a vývoj skyrmionů – drobných, stabilních magnetických vírů tvořených zkroucenými spiny elektronů. Tyto struktury vyžadují minimální energii k pohybu, což je činí slibnými pro datové technologie s vysokou hustotou a energetickou účinností. Pochopení, jak kontrolovat jejich formování, je zásadní pro jejich zmenšování tak, aby odpovídaly moderním elektronickým komponentám. Doplňkové mikromagnetické simulace přesně reprodukovaly pozorované chování a úzce se shodovaly s experimentálními výsledky. Celkově tým tvrdí, že zjištění poskytují prediktivní rámec pro přizpůsobení struktur magnetických domén, což posouvá vývoj spintronických zařízení nové generace.