Ученые впервые визуализировали два механизма переключения намагниченности в антиферромагнетиках

Исследовательская группа под руководством Рё Симано из Токийского университета впервые визуализировала два различных механизма переключения спинов в антиферромагнетике — материале, в котором магнитные моменты атомов скомпенсированы. Один из этих механизмов может стать основой для создания сверхбыстрой энергонезависимой магнитной памяти нового поколения.

Схема быстрого (~100 пс) нетеплового переключения намагниченности в антиферромагнитном Mn₃Sn с помощью импульса электрического тока. Автор: Кадзума Огава и Рё Симано, 2025 г.

Результаты работы, опубликованные в журнале Nature Materials, отвечают на давний вопрос о природе сверхбыстрого переключения в таких материалах, как Mn₃Sn. Ранее было известно, что оно возможно, но неясно, происходит ли оно за счёт нагрева от тока или под прямым воздействием самого тока, и как именно протекает процесс.

Для поиска ответов учёные создали тонкий слой Mn₃Sn и пропускали через него короткие электрические импульсы. Используя сверхбыстрые, точно синхронизированные вспышки света, они смогли получить «покадровое изображение» изменения магнитной структуры.

«Самым сложным было измерить ничтожно малые изменения магнито-оптического сигнала. Но мы были удивлены, насколько чётко в итоге удалось наблюдать процесс переключения, как только мы нашли правильный метод», — говорит Рё Симано.

Визуализация показала, что переключение происходит двумя разными путями в зависимости от силы тока: при большом токе процесс идёт с нагревом, а при слабом — практически без нагрева. Именно второй, нетепловой механизм представляет наибольший интерес для спинтроники, так как позволяет создавать более быстрые и энергоэффективные устройства для вычислений и связи.

Текущий рекорд команды — наблюдение переключения с временным разрешением 140 пикосекунд, что ограничено длительностью генерируемых импульсов тока. Однако, как отмечает Симано, материал теоретически способен переключаться ещё быстрее. Дальнейшие исследования будут направлены на достижение этих пределов.

ИИ: Это фундаментальное открытие не только расширяет понимание магнитных материалов, но и открывает конкретный путь к созданию памяти, которая могла бы работать в тысячи раз быстрее современной DRAM, что критически важно для развития высокопроизводительных вычислений и искусственного интеллекта.