Эксперименты немецких ученых показали, что более удобно использовать в качестве "магнитных битов" компактные наноостровки, а не островки вытянутой форумы.

Рис.1. a - полученное с помощью туннельной микроскопии изображение поверхности образца (на вставке внизу рельеф образца вдоль линии, показанной вверху); b - изображение той же части поверхности образца в режиме, чувствительном к магнитному полю, видно (вставка внизу), что в процессе измерения один из островков изменил ориентацию магнитного момента.

В связи со стремлением к увеличению плотности записи информации в запоминающих устройствах ученые всего мира работают над исследованием различных возможных вариантов реализации энергонезависимой памяти. Конечной целью работы является создание устройств, в которых роль битов будут играть наноразмерные объекты, состоящие всего из нескольких сотен или даже десятков атомов. Не обязательно такие наночастицы должны состоять из магнитного материала - можно ожидать (недавно получены весьма обнадеживающие результаты в этом направлении), что "нанобиты" удастся реализовать также на основе сегнетоэлектрических материалов. Однако более привычны и широко применяются все-таки магнитные запоминающие устройства, поэтому наибольшее внимание уделяется исследованию свойств наночастиц из ферромагнитных материалов.

Проблемы, которые возникают на пути миниатюризации битов, очевидны. Одно из основных требований к памяти - надежность. Благодаря тепловым флуктуациям магнитный момент наночастицы может менять свое направление, и с ростом температуры частота таких "несанкционированных переключений" растет экспоненциально (она пропорциональна exp(-E_B/k_BT), где E_B - энергетический барьер, который необходимо преодолеть для изменения направления магнитного момента, k_B - постоянная Больцмана и T - температура). Чем меньше размер наночастицы, тем меньше величина энергетического барьера, соответственно, магнитик-бит с уменьшением размеров становится менее устойчивым относительно процессов спонтанного изменения ориентации магнитного момента (изменение же ориентации магнитного момента означает потерю информации). Задача ученых состоит в поиске таких материалов, которые при наименьшем возможном размере нанобита все-таки позволяли ему оставаться стабильным относительно тепловых флуктуаций (возможно и применение различных ухищрений ).

До сих пор мы говорили об "абстрактных" наночастицах, не обращая внимания на то, что они могут различаться по своей форме (и подразумевали, что происходит одновременный поворот магнитных моментов всех атомов наночастицы). Теоретические расчеты показывают, что стабильность магнитного момента может существенно зависеть от формы наночастицы, например, наноостровка магнитного материала на подложке. Для продолговатых островков может происходить образование домена на одном из концов островка, для которого ориентация магнитного момента противоположна первоначальной. Затем происходит перемещение доменной стенки вдоль островка, что, в результате, приводит к переориентации магнитного момента островка как целого. Возможность такого "двухступенчатого" процесса существенно снижает устойчивость ориентации магнитного момента островка относительно тепловых флуктуаций (в случае вытянутых островков энергетический барьер для двухступенчатого процесса переориентации ниже, чем барьер, связанный с процессом одновременной переориентации всех спинов). Исследователи из университета Гамбурга недавно проверили эти теоретические предсказания [1].

Рис.2. a и b - изображение части поверхности образца в обычном и "магнито-чувствительном" режиме, чувствительном к магнитному полю; c - частота переключения магнитного момента в зависимости от площади наноостровка (масштаб на вставках - изображениях островков - 5 нм).

С помощью спин-поляризованной сканирующей туннельной микроскопии , позволяющей определять ориентацию магнитных моментов островков, ученые исследовали наноостровки железа монослойной толщины, нанесенные на поверхность молибденовой подложки (слой железа с номинальной толщиной менее монослоя наносился на поверхность подложки при комнатной температуре). Островки имели площадь в несколько десятков квадратных нанометров и различную форму (рис 1., 2). Эксперименты проводились при низких температурах (13 и 19 К); с помощью туннельного микроскопа исследователи периодически сканировали определенную область поверхности образца, фиксируя изменение ориентации магнитных моментов островков со временем. Как и ожидалось, повышение температуры приводило к экспоненциальному росту частоты переброса магнитного момента.

Обнаружилась и другая закономерность. Для компактных островков даже при меньших размерах (островки 11, 18 и 27 на рис.2) частота переброса магнитного момента была существенно ниже, чем для островков вытянутой формы (3, 16 и 25 на рис.2), имеющих бОльшую площадь. Таким образом, было экспериментально показано, что наиболее устойчивыми относительно спонтанного изменения ориентации магнитного момента являются компактные наноостровки.

1. M.Bode, O.Pietzsch, A.Kubetzka, and R.Wiesendanger. Phys.Rev.Lett., v.92, 067201 (2004).

Е.Онищенко