Интернациональная группа учёных, включающая и российских специалистов из Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе, продемонстрировала революционный подход к осуществлению магнитной записи данных, который даст возможность считывать информацию в сотни раз быстрее, чем это позволяют современные жёсткие диски.

Исследователи обнаружили, что ультракороткий тепловой импульс может предсказуемым образом переворачивать биты в магнитной среде. Этот удивительный эффект способен не только привести к появлению в сотни раз более быстрой памяти, но и обеспечить контроль направления намагниченности битов без использования направляющего магнитного поля (энергосбережение!).

Результаты работы опубликованы в февральском номере журнала Nature Communication.

Два малых домена с противоположными ориентациями спинов атомов. Лазерные импульсы снова и снова обращают спины. (Иллюстрация Johan Mentink, Richard Evans.)

Всегда считалось, что тепло может только разрушать магнитный порядок. Однако теперь было показано, что оно способно быть достаточным стимулом (именно стимулом) для записи информации в магнитной среде.

Разгадка неожиданного эффекта кроется на атомарном уровне материала — в данном случае сплава железа и гадолиния, в котором атомы обоих металлов чередуются между собой в узлах кристаллической решётки. Каждый атом характеризуется своим магнетизмом (спином). В самом материале спины атомов железа и гадолиния направлены в противоположные стороны. Поскольку гадолиний более магнитен, ферримагнитный железо-гадолиниевый сплав проявляет намагниченность, совпадающую по направлению со спином гадолиния. Если такой материал медленно нагревать, то магнитный порядок будет постепенно пропадать.

Но в отчётном эксперименте лазерный луч нагревал сплав с невероятной скоростью — 1/10 000 наносекунды, — так что лишь атомы железа успевали потерять свою магнитную ориентацию. Атомы же гадолиния реагировали значительно медленнее, сохраняя свою намагниченность и начиная выступать в качестве ориентирующего фактора для атомов железа. Как только последние достаточно разогревались и могли свободно вращаться, они сами начинали выстраиваться в направлении намагниченности атомов гадолиния (вот оно где спряталось, ориентирующее магнитное поле: оно всегда присутствует внутри самого материала, но проявляется только после разогрева).

Затем материал быстро остывал, и ориентация атомов замораживалась, гадолиний и железо вновь приобретали жгучее желание иметь противоположные спины. Только в этот раз именно медленно остывающий гадолиний предсказуемо менял свой спин на противоположный, что в конечном итоге и приводило к противоположной намагниченности сплава.

Не все детали описанного механизма понятны, и работа продолжается, однако уже сейчас можно увидеть потенциальные преимущества нового метода записи-перезаписи информации: скорость до нескольких терабайт (!) в секунду, значительно меньшее энергопотребление (ввиду отказа от жадных до энергии электромагнитов) и многое другое. Единственный очевидный недостаток, способный надолго отсрочить внедрение технологии, — фемтосекундный лазер: самый маленький имеет сейчас около метра в длину.

С другой стороны, ещё вчера никто и подумать не мог, что тепловой нагрев способен инициализировать запись в магнитной среде...