Увеличение плотности записи информации за последнее десятилетие сделало гигантский скачок вперед за счет новых магнитных материалов. Стоит отметить, что полученные величины существенно превосходят соответствующие плотности записи, достигаемые при использовании широко известных полупроводниковых материалов.
При разработке магнитных устройств записи решающими стали два фактора – магнитный момент и магнитная анизотропия. Под магнитным моментом понимается сумма всех магнитных моментов системы; магнитная энергия анизотропии – это выигрыш в энергии за счет ориентации спинов в определенном направлении. Для малых структур область, в которой спины строго ориентированы в одном и том же направлении, может характеризоваться макроскопическим суммарным спином, или «макроспином». Если энергия анизотропии достаточно велика, то за счет устойчивости направления "макроспина" можно добиться долговременной памяти. С другой стороны, если энергия анизотропии недостаточно велика по сравнению с тепловой энергией, то направление макроскопического спина может меняться спонтанным образом.
Andreas Heinrich и его коллеги (IBM’s Almaden Research Centre in San Jose) опубликовали в журнале “Science” статью о том, что им удалось провести измерения магнитного момента и магнитной энергии анизотропии на атомном уровне [1]. Были получены величины энергии анизотропии и спина индивидуальных атомов железа и марганца, адсорбированных на поверхности нитрида меди. Используя низкотемпературные измерения с использованмием туннельной силовой микроскопии, можно наблюдать электронное возбуждение атомов железа или марганца, которое связано с изменением магнитного состояния ионов. (рис.1)
Анализируя, как энергия этих возбуждений зависит от направления и величины приложенного поля, можно предсказать вероятность предпочтительной ориентации спина.
Таким образом, становится возможным установить, как магнитные свойства атомов зависят от их ближайшего окружения. Измерение магнитных моментов и энергии анизотропии хорошо известных, модельных систем даст возможность сравнивать экспериментальные данные с теоретическими расчетами.
Магнитная анизотропия материала (в том числе и наноразмерного) связана с переориентацией спинов из предпочтительного направления (оси легкого намагничивания) по другим осям. В работе [2] был предложен способ контроля времени жизни этих магнитных состояний путем приложения спин-поляризованного тока. Таким образом, получается своего рода «переключение» вектора намагниченности.
В большинстве магнитных устройств запись информации осуществляется за счет приложения магнитного поля; считывание информации происходит на основе эффекта гигантского магнетосопротивления (ГМС). Для заметки: в этом году ученым Альберту Феру и Питеру Грюнбергу была присуждена Нобелевская премия в области физики за открытие эффекта ГМС .
Ячейка устройства магнеторезистивной памяти (magnetic random access memory-MRAM) состоит из двух магнитных электродов, разделенных немагнитной прослойкой. Перемагничивание электродов осуществляется с помощью магнитного поля. Однако, если бы стало возможным менять намагниченность, это позволило бы не только считывать информацию, но и записывать ее.
Работа такой системы перемагничивания некоторой наноразмерной области заключается в пропускании спин-поляризованного тока через ячейку MRAM. Теоретическое объяснение такого процесса перемагничивания стало центральной проблемой для развития нового поколения устройств магнитной записи. Большинство экспериментальных работ по этой тематике проводятся на нанонитях, однако размерный фактор не позволяет экспериментально контролировать проходящие в нанонитях процессы. Совсем недавно это проблема была решена группой ученых из Гамбурга [2], и стало возможным выявлять факторы, которые оказывают влияние на процесс перемагничивания.
Andreas Heinrich и его коллеги определили, что энергия анизотропии атома железа вдоль оси легкого намагничивания составляет 1.55±0.01 мэВ, а в перпендикулярном направлении — 0.31±0.01мэВ. Однако если в плоскости перпендикулярной к оси легкого намагничивания анизотропия была бы нулевой, атомы располагались бы вдоль одной оси с анизотропией, по величине одинаковой с величиной анизотропии атомов кобальта на поверхности платины. Остается выяснить, может ли быть создано атомное окружение, способствующее большой одноосевой анизотропии, которая так необходима для высокоплотной магнитной записи. Если это окажется возможно, то следующим шагом будет совмещение достижений групп из IBM и Гамбурга и применение спин-поляризованного СТМ для исследования одиночных атомов, обладающих магнитным моментом.
- Hirjibehedin, C. F. et al. // Science 317, 1199–1203 (2007).
- Krause, S., Berbil-Bautista, L., Herzog, G., Bode, M. & Wiesendanger, R. Science 317, 1537–1540 (2007).
Материал подготовлен Веряевой Е.С.
