Физики из Федеральной политехнической школы Лозанны создали рекордно устойчивый магнит, состоящий из одного атома. Частица способна сохранять свое магнитное состояние при температуре в 30 кельвинов. Время, в течение которого атом может сохранять информацию, достигает 25 минут при 10 кельвинах. По словам ученых, подобный результат приближает момент создания модулей памяти с максимальной допустимой емкостью в один бит на атом. Исследование опубликовано в журнале Science, кратко о нем сообщает пресс-релиз EPFL.

Многие современные методы хранения информации основаны на использовании магнитных материалов. Отдельные их фрагменты — домены — играют роль магнитов, хранящих в себе «0» или «1», в зависимости от ориентации полюсов. Чтобы увеличить плотность записи, домены приходится делать все меньше и меньше, доходя до десятка нанометров. Такие размеры вплотную приближаются к масштабам единичных молекул и атомов, обеспечивающих теоретический предел плотности записи. 

Гольмий. Wikimedia Commons

Однако, в случае мономолекулярных магнитов важным становится параметр времени жизни магнитных состояний, в течение которого спин частицы остается постоянным. Он напрямую связан с временем хранения информации в ячейке. Одной из причин сокращения этого параметра являются тепловые колебания молекул и среды. Ранее материаловедам удавалось добиться величин порядка сотни секунд в при охлаждении до 10 кельвинов, новая работа на порядок улучшает этот рекорд.

Скан образца (слева) и его схематическое строение. F. Donati et al / Science, 2016

В качестве исследуемого атома физики выбрали гольмий — один из редкоземельных элементов, обладающий выраженными магнитными свойствами. Ученые осадили крохотные количества атомов гольмия на поверхность немагнитной пленки из оксида магния. Осаждение происходило при температурах около 10 кельвинов, чтоб добиться минимальной подвижности атомов на поверхности. Факт осаждения подтверждали с помощью сканирующей туннельной микроскопии — атомы гольмия выглядели на сканах выпуклостями, одинаково возвышающимися над поверхностью. Расстояния между частицами на подложке достигали нескольких нанометров.

Затем ученые проанализировали время релаксации магнитных состояний. Для этого образец помещали в сильное магнитное поле (6,8 тесла), добиваясь того, чтобы все спины выстроились в одном направлении, после чего поле выключали. Характерное время, за которое намагниченность в образце рассеивалась составляло 1586 ± 131 секунда. Физики отмечают, что это время превышает аналогичный параметр у более крупных структур, например, молекул комплексов гольмия. По словам авторов, такая необычная стабильность связана с симметрией области поверхности оксида магния, с которой связываются атомы гольмия. 

Кривые релаксации при разных температурах. F. Donati et al / Science, 2016

Кроме того, физики исследовали как меняется поведение атомов при различных температурах, измеряя магнитный гистерезис образцов. Для этого внешнее поле медленно меняли с +6,8 тесла на –6,8 тесла и обратно. Разница в магнитных свойствах при разных направлениях изменения поля удалось наблюдать до температуры в 40 кельвинов, что говорит о способности атомов сохранять свои свойства при высоких температурах.

Предыдущий рекордсмен среди мономолекулярных магнитов — мостиковые комплексы лантанидов (РЗЭ). При температуре 13,9 кельвина их время релаксации составляет около 100 секунд. Самые маленькие из известных устойчивых магнитов — антиферромагнитные цепочки, состоящие из 12 атомов железа и ферромагнитные кластеры всего из пяти атомов железа. Время жизни магнитных состояний в них определено при 0,5 кельвина — оно достигает нескольких часов. Описанные кластеры меньших размеров, по словам авторов, сохраняют свою ориентацию лишь в течение нескольких секунд.

Автор: Владимир Королёв