Ученые разработали новый способ управления магнетизмом в ультратонких материалах

Схематическое изображение магнитов из CrPS4, интегрированных в материнскую плату для будущих электронных устройств. Автор: Элтон Сантос

Новый мощный метод управления магнитными свойствами ультратонких материалов может привести к созданию более быстрых, компактных и энергоэффективных технологий, говорится в исследовании.

Ученые разработали способ точной настройки магнетизма с помощью материала CrPS₄, толщина которого составляет всего несколько атомов. Исследование опубликовано в журнале Nature Materials.

Это достижение может решить давнюю научную проблему и проложить путь к разработке новых «умных» магнитных технологий — от устройств компьютерной памяти до электроники следующего поколения.

Магнетизм играет ключевую роль в работе цифровой памяти: крошечные магнитные области внутри компьютеров используются для хранения информации.

Эти области контролируются за счет небольших изменений магнитного поведения — процесса, называемого обменным смещением (exchange bias). Однако до сих пор это явление было сложно изучать и еще труднее контролировать, поскольку оно возникает на скрытых, неидеальных границах между разными материалами.

Исследователи из Эдинбургского университета, Бостонского колледжа и Университета Бингемтона нашли способ преодолеть эти трудности.

Вместо того чтобы накладывать разные материалы друг на друга, команда обнаружила, что аналогичного контроля можно добиться внутри самого CrPS₄ — полупроводникового материала.

В ультратонких слоях CrPS₄ атомы естественным образом формируют области с разными магнитными свойствами в зависимости от толщины. Используя передовые методы визуализации и масштабное моделирование, ученые смогли наблюдать, как формируются, взаимодействуют и изменяются магнитные области на границах между слоями разной толщины.

Метод визуализации — магнитометрия на основе азотных вакансий (NV-центров) — работает как сверхчувствительный магнитный микроскоп, используя алмазные сенсоры для визуализации крошечных магнитных полей.

Изменя расположение слоев в CrPS₄, исследователи обнаружили, что могут включать и выключать обменное смещение, как переключатель. Этот процесс контролируем и обратим, что может быть крайне полезно для будущих технологий.

«Области внутри CrPS₄ выстраиваются бок о бок, как полосы на шоссе. Граница между ними образует идеальный интерфейс, позволяя нам изучать и контролировать магнитное поведение с невероятной точностью», — объясняет доктор Элтон Сантос из Школы физики и астрономии Эдинбургского университета.

Открытие не только углубляет понимание магнетизма, но и закладывает основу для создания более «умных», компактных и надежных магнитных устройств.

Эта технология может помочь инженерам разрабатывать сверхкомпактные чипы памяти, перестраиваемые датчики или даже квантовые вычислительные устройства на магнитных принципах. CrPS₄ стабилен на воздухе и прост в работе, что делает его идеальным кандидатом для реальных применений, а не только лабораторных экспериментов.

«Этот прорыв открывает окно в невидимый мир магнетизма на атомном уровне. Наша работа дает прозрачную и надежную платформу для понимания и управления магнетизмом в атомном масштабе. Это открывает дверь для целого нового класса магнитных технологий», — добавляет доктор Сантос.

Дополнительная информация: Yu-Xuan Wang et al, Configurable antiferromagnetic domains and lateral exchange bias in atomically thin CrPS4, Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02259-x

Источник: University of Edinburgh