Прорыв в исследовании низкоразмерных антиферромагнетиков открывает путь к новому поколению чипов

Исследовательская группа Шанхайского университета Фудань совершила прорыв в изучении класса магнитных материалов, который может помочь в создании более быстрых и энергоэффективных компьютерных чипов и устройств памяти.

Исследование, проведённое Государственной ключевой лабораторией физики поверхности университета Фудань, было опубликовано в четверг на сайте журнала Nature. Учёные заявляют, что их результаты закрывают давний разрыв между теорией и практическим применением антиферромагнитных материалов, которые до сих пор считались сложными для управления в реальных устройствах.

Большинство существующих технологий хранения данных, включая жёсткие диски и магниторезистивную оперативную память (MRAM), полагаются на ферромагнитные материалы. Эти материалы хранят информацию, переключая направления намагниченности — обычно описываемые как «вверх» и «вниз» — для представления двоичных данных (0 и 1).

Однако ферромагнетики имеют врождённые ограничения. Их сильные паразитные магнитные поля делают их уязвимыми к помехам, что ограничивает плотность упаковки данных. Они также работают медленнее и потребляют больше энергии, что стало серьёзным препятствием на пути к созданию более компактных, быстрых и энергоэффективных устройств.

Антиферромагнетики давно рассматриваются как перспективная альтернатива. В этих материалах соседние магнитные моменты направлены в противоположные стороны, эффективно компенсируя друг друга. В результате антиферромагнетики почти не создают паразитных магнитных полей, что делает их более стабильными и лучше подходящими для хранения данных с высокой плотностью. Они также могут переключать магнитные состояния гораздо быстрее ферромагнетиков, предлагая потенциал для значительного увеличения скорости вычислений.

Несмотря на эти преимущества, антиферромагнетики печально известны своей сложностью в управлении. Поскольку у них нет чистого магнитного сигнала, надёжная запись и считывание информации оставались серьёзной технической проблемой. В результате эксперты отрасли часто отвергали их как интересные с научной точки зрения, но непрактичные для разработки чипов.

Команда университета Фудань утверждает, что теперь преодолела это препятствие. Исследователи обнаружили, что особый тип низкоразмерного слоистого антиферромагнетика — представленный материалом тиофосфат хрома (CrPS4) — может предсказуемо переключаться между двумя стабильными магнитными состояниями при приложении внешнего магнитного поля. Это поведение аналогично поведению ферромагнитных материалов, используемых в современных устройствах памяти.

«Это означает, что мы можем точно контролировать магнитное состояние и непосредственно наблюдать его с помощью нашего собственного магнито-оптического микроскопа, что удовлетворяет базовым требованиям для чтения и записи двоичных данных», — сказал профессор физики университета Фудань и соавтор статьи У Шивэй.

Чтобы объяснить механизм переключения, команда расширила классическую теоретическую модель — изначально разработанную для описания ферромагнетиков — так, чтобы она могла описывать и этот новый тип антиферромагнетика. У Шивэй заявил, что модель обеспечивает прочную научную основу для будущих прикладных устройств.

В отличие от обычных слоистых антиферромагнетиков, в которых магнитные слои переключаются один за другим и могут нарушать общее магнитное состояние, новый материал переключается «синхронно». Проще говоря, все слои переключаются вместе, сохраняя стабильность системы и поддерживая ключевые преимущества антиферромагнетиков.

Исследователи также предложили чёткий критерий, который можно использовать для прогнозирования поведения различных антиферромагнитных материалов под воздействием магнитных полей. Это может помочь учёным и инженерам определить, какие материалы лучше всего подходят для использования в будущих технологиях чипов и памяти.

Отраслевые аналитики отмечают, что этот прорыв может поддержать стремление Китая получить преимущество в технологиях полупроводников следующего поколения, потенциально меняя конкуренцию в глобальном секторе информационных технологий. Это исследование открывает путь к созданию памяти с беспрецедентной плотностью и скоростью, что критически важно для развития искусственного интеллекта и суперкомпьютеров.