Ученые-физики рассчитали типы атомных структур, на основе которых могут быть получены вещества с необычными магнитными и электрическими свойствами. Они помогут в проектировании новых перспективных материалов, которые будут востребованы при разработке целого класса инновационных технических устройств. Например, высокочувствительных магнитных сенсоров или новых средств для хранения информации. Однако пока исследователи сделали лишь первый шаг на пути к созданию электроники будущего, считают эксперты.
Как победить фрустрацию
Ключи к созданию целого класса материалов с новыми необычными свойствами подобрали исследователи из Московского физико-технического института, Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) им. М.И. Платова и Южного научного центра РАН. На основе этих веществ в будущем можно получить магнитные и электрические сенсоры нового типа. Они будут востребованы, например, в приборах для изучения активности мозга, считывания чипов или карт памяти с инновационной архитектурой.
Свои результаты ученые получили в процессе изучения кристаллов, которые содержат пирохлорные подрешетки. Это особого рода атомные конструкции в виде соприкасающихся вершинами тетраэдров — четырехугольных «пирамид», каждая из граней которых представляет собой правильный равносторонний треугольник. Интерес к ним обусловлен необычными эффектами, которые возникают, если в вершины тетраэдров поместить атомы металлов с магнитными свойствами. В таких случаях благодаря геометрии конструкции атомы с одинаковым «упорством» будут воздействовать друг на друга и не смогут упорядочиться, создав общий магнитный момент. Другими словами, они не способны действовать в одном направлении, как это происходит в обычном магните, который или притягивает к себе, или отталкивает от себя железные предметы.
— Из-за геометрической структуры пирохлорных подрешеток решающий характер материала в них не определен. В результате получается вещество, в котором одновременно сосуществуют и конкурируют различные взаимодействия. Например, магнитные, электрические и деформационные, то есть такие, которые стремятся изменить форму кристаллов. Из-за подобных эффектов вся система не может упорядочиться, определиться в магнитных моментах атомов, — пояснил «Известиям» один из соисследователей и основной автор научной работы, ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ Михаил Таланов.
По его словам, в физике такое явление принято называть геометрической фрустрацией — по аналогии с психологическим термином, который означает растерянность и отсутствие воли у человека. Однако если на такие структуры оказать воздействие, которое будет способствовать возникновению определенного порядка, то можно получить широкую палитру веществ с полезными свойствами.
— Цель нашей работы заключалась в том, чтобы с помощью математических расчетов выявить, какие основные типы магнитно-упорядоченных структур могут быть получены при различных воздействиях на материалы с пирохлорными подрешетками для подавления в них фрустрации. Оказалось, что 90–95% полученных конструкций может быть описано всего 25 типами, — сообщил Михаил Таланов.
Новые материалы
Ученые пояснили, что найденные типы структур позволяют с большой долей вероятности прогнозировать, какими характеристиками будут обладать упорядоченные материалы. Таким образом, в дальнейшем исследователи смогут отказаться от последовательного перебора вариантов при их проектировании. По его словам, это важно, например, для создания веществ с заданными магнитными и электрическими свойствами. В настоящее время подобные задачи решают с помощью сложных вычислительных алгоритмов и суперкомпьютеров. Поэтому экономия существенная.
Для иллюстрации практической пользы исследований специалист привел в пример вещества с предсказанными в них магнитными и электрическими свойствами.
— Такие материалы называют мультиферроиками. В них магнитное поле управляет электрическими свойствами и наоборот. Это позволит создавать технику на новых физических принципах. Например, устройства для хранения информации, в которых магнитные домены можно записывать электрическим полем, а электрические — магнитным. В частности, этот эффект даст возможность реализовать формат четырехбитной записи информации, что значительно увеличит ресурс будущих флешек по сравнению с современными двухбитными, — рассказал Михаил Таланов.
Он добавил, что даже частичное использование новых «предсказанных» материалов будет полезно. Например, технология записи электрическим полем магнитных доменов сделает устройства памяти более простыми в изготовлении и снизит их энергопотребление в процессе работы.
— В обычном жестком диске запись и чтение информации осуществляются магнитной головкой, то есть только при помощи магнитного поля. При использовании мультиферроиков теоретически возможно осуществлять запись при помощи магнитного поля, а чтение — электрического (обычный электрический ток через ячейку памяти), либо наоборот, что расширяет возможности создания новых устройств, — прокомментировал предположение ученых главный научный сотрудник НИИ физики Южного федерального университета Никита Тер-Оганесян.
В целом в исследовании московских ученых он отметил, что полученные результаты должны быть полезны экспериментаторам, которые непосредственно работают с такими материалами, для того чтобы лучше понимать, какие свойства можно ожидать от исследуемых кристаллов и как их можно использовать.
— Предложенная типология может быть полезной в поиске новых материалов. Однако, образно говоря, это только первый камень в будущей мостовой, которая приведет к новым материалам, — считает профессор кафедры квантовой электроники физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова Алексей Рубцов.
По его мнению, предложенная авторами технология записи цифровой информации технически очень сложна. Что касается мультиферроиков, то, по словам Алексея Рубцова, эти материалы перспективны для создания магнитных сенсоров. Особенно если удастся получить недорогие высокочувствительные датчики, которые работают при комнатной температуре. Такие устройства будут незаменимы в разных отраслях промышленности, в том числе в электронике и медицине.