Nový koncept pro ukládání dat

Mezinárodní výzkumný tým demonstroval elektrický zápis dat v antiferomagnetu. Feromagnety a antiferomagnety představují dvě běžné formy magneticky uspořádaných materiálů. Tradičně se předpokládá, že magnetizmus lze snadno ovládat a využít jen ve feromagnetech. Vědci z České republiky, Velké Británie a Německa mění tuto vžitou představu tím, že demonstrovali elektricky vyvolanou změnu magnetizace v antiferomagnetickém mikročipu. Práce byla publikována v časopise Science 14. ledna 2016 (DOI: 10.1126/science.aab1031).

Ve feromagnetických materiálech všechny mikroskopické magnety sedící na jednotlivých atomech mají severní póly orientované stejným směrem čímž dohromady tvoří makroskopický magnet. Bez toho, že by se celý magnet fyzicky otočil, je možné otočit jeho póly pomocí elektrického proudu vedeného blízkým elektromagnetickým drátem jedním nebo opačným směrem. To je i princip zápisu a ukládání dat ve feromagnetických pamětech.

Antiferomagnety mají severní póly poloviny svých mikroskopických magnetů na atomech orientované jedním směrem a druhé poloviny opačným směrem. Přepólování antiferomagnetu proto vyžaduje dvě skupiny elektromagnetů s opačnými proudy. Něco takového ovšem nelze zrealizovat, protože množství atomů tvořících magnetický materiál pro ukládání dat je velké a atomy s opačně orientovanými mikroskopickými magnety jsou zcela promíchány v antiferomagnetickém krystalu a jejich vzdálenost obvykle nepřesahuje 10^-9 metru.

Místo scénáře z oblasti science-fiction, ve kterém by byl elektromagnet připevněn ke každému jednotlivému atomu, navrhli členové výzkumného týmu před rokem nový fyzikální princip. Vysvětlení jeho podstaty by vyžadovalo ponořit se do tajů relativistické kvantové fyziky, ovšem výsledný projev tohoto nového efektu si lze snadno představit. Pokud necháme procházet obyčejný makroskopický elektrický proud určitými antiferomagnetickými krystaly, utvoří se virtuální mikroskopické elektromagnety spontánně u každého atomu a to tak, že působí opačně na atomech s opačně orientovanými mikroskopickými magnety. Když se elektrický proud vypne, tak tyto virtuální mikro-elektromagnety zmizí. Takto je možné praktickým způsobem zapsat a uložit data v antiferomagnetu (viz Obrázek).

Obrázek: Schematický obrázek zápisu v antiferomagnetu pomocí virtuálních mikro-elektromagnetů, které se spontánně vytvoří u každého jednotlivého atomu nesoucího mikroskopický magnet.

Výzkumný tým si vybral krystal CuMnAs jako jeden z vhodných antiferomagnetických materiálů pro demonstraci elektrického zápisu a připravil z tohoto materiálu experimentální paměťové mikročipy. Elektrický zápis byl uskutečněn spolu s elektrickým čtením dat při pokojové teplotě a se zapisovacími elektrickými proudy srovnatelné velikosti jako jsou proudy používané v komerčních feromagnetických pamětech.

“Oproti feromagnetům nemohou být data uložená v antiferomagnetech nechtěně vymazána i velmi silnými magnetickými poli. Navíc antiferomagnety neprodukují vlastní magnetické pole, čímž se eliminuje nekontrolované vzájemné ovlivnění sousedních paměťových elementů a tajná data nelze z antiferomagnetu přečíst běžnými magnetickými skenery. Tyto výhodné charakteristiky antiferomagnetů pro ukládání dat jsme již v naších experimentálních součástkách prokázali. Další předpokládanou výhodou je rychlost jakou mohou být data zapsána v antiferomagnetických pamětech. Fyzikální hranice rychlosti je 100-1000 větší než ve feromagnetech“, říká Tomáš Jungwirth z Akademie věd.

Originální publikace:
Electrical switching of an antiferromagnet,
P. Wadley et al., Science published online 14 January (2016), DOI: 10.1126/science.aab1031