Учёные Крымского федерального университета им. В. И. Вернадского изучают спиновые нематики и возможности их применения в спинтронных устройствах, которые могут значительно увеличить скорость записи и считывания информации.
Об исследовании на тему «Продольная динамика негейзенберговских и сильно анизотропных магнетиков» рассказывает профессор кафедры теоретической физики Физико-технического института Юрий Фридман.
Исследование проводится при поддержке Российского научного фонда.
В чём суть Вашего исследования?
— Сейчас у всех есть телефоны, компьютеры, ноутбуки – различные электронные гаджеты. А какова система записи информации на эти устройства? Это – система магнитной записи, и весь этот процесс основан на магнетизме. А что такое магнетизм? Многие в детстве любили ломать динамики, вынимать из них круглые симпатичные магниты, производить с ними всякие действия (притягивать разного рода «железяки» или греть магниты на огне). И всё казалось очень просто: есть магнит, и он к себе притягивает остальные «железяки». Но на самом деле всё не так просто. Магнетизм – это сугубо квантовый эффект, основанный на взаимодействии некоторых, так называемых, спинов электронов. Что такое спин? Представьте шарик, который может вращаться вокруг своей оси, и ось вращения этого шарика задаёт некоторое направление в пространстве. Это, конечно, очень грубое, очень неправильное объяснение спина. Как нормальный физик, я должен был сказать, что это дополнительное квантовое число, описывающее состояние системы. Так вот, в узлах кристаллической решётки магнитного материала находятся эти самые спины, которые начинают между собой взаимодействовать, и их взаимодействие приводит к тому, что им выгодно выстраиваться в одном направлении. Представьте себе огромное количество этих узлов кристаллической решетки, а спин – это локальный магнитный момент одного узла. И когда они все выстраиваются в одном направлении, возникает интегральный большой магнитный момент, который проявляется макроскопически в притягивании к магниту всяких «железяк». Описание этих систем, конечно же, является сложной квантовой механической задачей. И сейчас очень многие описания этих систем восходят к 30-м годам прошлого века – к работам основоположников Льва Давидовича Ландау, Сергея Васильевича Вонсовского, Евгения Акимовича Турова.
И, вроде как, всё понятно, красиво и интересно, но современная электроника настолько исчерпала свои возможности (соотношение производительности и цены), что каждый шаг к увеличению скорости записи, скорости считывания объёма информации на порядок увеличивает стоимость прибора. И уже потеряло смысл улучшать системы на основе электронных свойств, поэтому физики пошли по другому пути. Сейчас строится новая интересная наука, которая называется спинтроникой. А носителем этого спина является электрон – заряженная частица.
А вот теперь носителем этого спина является сам спин и спиновый ток, то есть возникает такое «движение» спинов по кристаллической решётке, которое имитирует аналог электрического тока. Эти вопросы изучает спинтроника, а мы с коллегами как раз занимаемся такими системами, которые можно использовать в новых спинтронных устройствах (например, спинтронный вентиль, спинтронный диод и других). И эти устройства действительно позволяют значительно увеличить скорость – частоту работы прибора, а значит и скорость записи и считывания информации (до очень высоких частот, до терагерц). А ещё существуют такие системы, у которых магнитный момент равен нулю, но они остаются магнитными. Получается магнетизм без магнетизма. Это называется спиновыми нематиками. Нематик – это жидкий кристалл – вещество, которое обладает одновременно и свойствами кристаллического тела, и свойствами жидкости. Обычные нематики устроены так, что молекулы этого жидкого нематика образуют столбики или эллипсоиды, а наша система (не в реальном физическом пространстве, а в так называемом спиновом пространстве) тоже является эллипсоидом. Занимаются этими «штуками» последние лет 30, наверное.
Наш проект посвящён теоретическому исследованию спиновых нематиков и возможностей их применения в спинтронных устройствах. Мы должны разработать физическую модель, позволяющую описать процессы, протекающие в магнитных системах, в которых, вроде бы, и нет магнетизма. Мы не строим прибор, но даём рекомендации производителям, мы говорим: «Ребят, чтобы у вас что-то хорошее получилось, вы должны взять материал с такими свойствами и, используя нашу модель, воздействуя на этот материал температурой, полем, давлением, вы сможете привести его в такое состояние, что его можно будет использовать в спинтронном устройстве». Наша задача теоретическая и предсказательная.
Спиновые нематики – тема достаточно интересная, но она сложна с точки зрения фундаментальной физики, так как содержит много очень тонких квантомеханических задач и нюансов. Ну, и математический аппарат для описания этой системы не самый простой.
Какие перспективы внедрения исследования в практику?
— По-моему, австрийский физик-теоретик Людвиг Больцман сказал: «Нет ничего практичнее хорошей теории». А Эрнест Резерфорд, когда открыл свою планетарную модель атома, построил и доказал её, отвечал корреспондентам на вопрос о воплощении его теории в реальных устройствах: «Я думаю, не раньше, чем лет через 100–120». Буквально через 25 лет открыватель нейтрона Джеймс Чедвик, если мне не изменяет память, «расколол» атомное ядро, и теперь мы имеем атомную бомбу. Понимаете, теория может десятилетиями не быть востребованной в практике, а потом выстрелит так, что никому мало не покажется.
Почему Вы пришли в теоретическую физику?
— Почему я стал теоретиком? Есть такая шутка, что теоретик – это человек, который удовлетворяет своё любопытство за государственный счёт. Физика меня интересовала ещё со школы: было любопытно, почему солнце светит жёлтым, а небо голубое; почему молния; почему ветер дует. Мне просто это интересно. Можно сказать, что физика – моё хобби. А теоретик, потому что я очень люблю математику и очень люблю физику. Теоретическая физика совмещает и то, и другое. И, кроме того, я не люблю возиться с гаечными ключами и паяльниками – это не моё. А как я сохраняю интерес? Не знаю. Мне просто интересно жить, мне любопытно, как это всё устроено. Кроме того, это – моя работа, хотя я считаю её хобби.
