Magnesy ułatwią przechowywanie i szyfrowanie danych

W Sekcji Archeo w Pulsarze prezentujemy archiwalne teksty ze „Świata Nauki” i „Wiedzy i Życia”. Wciąż aktualne, intrygujące i inspirujące.

Magnetyczny zapis danych jest powszechnie stosowany w wielu technologiach od kart kredytowych przez komputery aż do serwerów obsługujących chmury. Pojemność używanych nośników ograniczają rozmiary domen magnetycznych, które służą do kodowania bitów; nawet jeżeli warstwy magnetyczne są cienkie jak kartka papieru, to i tak zajmują zbyt wiele cennego miejsca, które można by wykorzystać efektywniej.

Niedawno w „Nature Communications” (2021) opublikowano wyniki badań, które pozwoliły uzyskać najcieńsze na świecie magnesy, utworzone z połączenia giętkiej warstwy tlenku cynku i pojedynczej warstwy atomów kobaltu. „Dzięki nim możemy zapisać więcej danych na tej samej ilości materiału”, wyjaśnia Jie Yao, inżynier z University of California w Berkeley, który jest głównym autorem artykułu.

Oprócz pocienienia standardowych nośników do zapisu danych, magnesy o grubości nanometra stwarzają nowe możliwości budowy układów spintronicznych, w których ruchem elektronów sterujemy za pomocą ich spinu, a nie ładunku, jak w elektronice. Jest szansa, że nowe magnesy ułatwią uzyskiwanie dla elektronów tzw. superpozycji kwantowej, która polega na tym, że cząstka znajduje się równocześnie w wielu stanach. Dzięki temu dane można by kodować efektywniej za pomocą trzech stanów, spinu do góry, w dół oraz równocześnie w górę i w dół.

Zazwyczaj nanometrowe magnesy zachowują swoje właściwości pod warunkiem oziębienia ich do temperatury ciekłego azotu, czyli około 77 kelwinów. To wielka przeszkoda w tworzeniu komercyjnych urządzeń spintronicznych lub zwiększaniu gęstości zapisu magnetycznego. „Nikt przecież nie nosi ze sobą chłodziarki kriogenicznej – wyjaśnia David Awschalom, fizyk z University of Chicago zajmujący się spintroniką, który nie uczestniczył w opisywanych badaniach. – Dlatego dostępność giętkich nanomagnesów zachowujących swoje właściwości w temperaturze pokojowej jest tak ważna”.

Nowe magnesy o strukturze sieci dwuwymiarowej działają doskonale w temperaturze pokojowej, a nawet zachowują swoje właściwości po ogrzaniu do temperatury wrzenia wody. Kluczowe znaczenie miała decyzja o wyborze pierwiastków. Cynk i tlen nie mają właściwości magnetycznych, ale mogą oddziaływać z metalami magnetycznymi jak kobalt. Zmieniając proporcje pomiędzy liczbami atomów kobaltu i cząsteczek tlenku cynku, zespół „zoptymalizował” natężenie oddziaływań magnetycznych. Okazało się, że najlepsze wyniki uzyskuje się dla 12% kobaltu; dla mniejszych wartości, około 6%, magnesy były zbyt słabe, a po przekroczeniu 15% ich właściwości stawały się niestabilne.

Yao uważa, że elektrony swobodne z tlenku cynku stabilizują atomy kobaltu, zapewniając niezmienność pola magnetycznego. „Zgodnie z aktualną hipotezą – tłumaczy Yao – elektrony pełnią funkcję posłańców, którzy pomagają atomom kobaltu »porozumiewać się« między sobą”.

Fizyk obliczeniowy Stefano Sanvito z Trinity College w Irlandii, który nie uczestniczył w badaniach, uważa, że użyteczność uzyskanych magnesów będzie zależeć od ich oddziaływania z innymi materiałami 2D. Jego zdaniem, układanie pojedynczych warstw atomowych różnych materiałów „jak talii kart” pozwoli inżynierom tworzyć nowe generacje przyrządów spintronicznych realizujących różne funkcje, od bezpiecznego szyfrowania danych do realizacji obliczeń kwantowych: „Na pewno będzie to niezwykle ekscytujące”.

Dziękujemy, że jesteś z nami. To jest pierwsza wzmianka na ten temat. Pulsar dostarcza najciekawsze informacje naukowe i przybliża najnowsze badania naukowe. Jeśli korzystasz z publikowanych przez Pulsar materiałów, prosimy o powołanie się na nasz portal. Źródło: www.projektpulsar.pl.