Ученые сделали важный шаг вперед в разработке нового материала с использованием магнитов наноразмерного размера, который в конечном итоге может привести к созданию новых типов электронных устройств с большей емкостью, чем это возможно в настоящее время, говорится в исследовании, опубликованном сегодня в журнале Science.

Многие современные устройства хранения данных, такие как жесткие диски, полагаются на способность манипулировать свойствами крошечных отдельных магнитных секций, но их общая конструкция ограничена тем, как эти магнитные "домены" взаимодействуют, когда они расположены близко друг к другу.

Теперь исследователи из Имперского колледжа Лондона продемонстрировали, что сотовая структура наноразмерных магнитов в материале, известном как спиновый лед, создает конкуренцию между соседними магнитами и уменьшает проблемы, вызванные этими взаимодействиями, на две трети. Они показали, что большие массивы этих наномагнитов можно использовать для хранения вычисляемой информации. Затем матрицы можно считывать, измеряя их электрическое сопротивление.

До сих пор ученым удавалось "считывать" и "записывать" закономерности в магнитных полях, и ключевой задачей сейчас является разработка способа использования этих закономерностей для выполнения вычислений, причем делать это при комнатной температуре. На данный момент они работают с магнитами при температурах ниже минус 223oC.

Автор исследования доктор Уилл Брэнфорд и его команда изучали, как управлять магнитным состоянием наноструктурированных спиновых льдов с помощью магнитного поля и как считывать их состояние путем измерения их электрического сопротивления. Они обнаружили, что при низких температурах (ниже минус 223oc) магнитные биты действуют коллективно и выстраиваются в узоры. Это изменяет их сопротивление электрическому току, так что, если один из них проходит через материал, это приводит к характерному измерению, которое ученые могут идентифицировать.

До сих пор ученым удавалось "читать" и "записывать" узоры при комнатной температуре. Однако на данный момент коллективное поведение наблюдается только при температурах ниже минус 223oC. Ключевой задачей сейчас является разработка способа использования этих шаблонов для выполнения вычислений, и делать это при комнатной температуре.

Современная технология использует один магнитный домен для хранения одного бита информации. Новое открытие предполагает, что кластер из многих доменов может быть использован для решения сложной вычислительной задачи в рамках одного вычисления. Вычисления такого типа известны как нейронная сеть и больше похожи на то, как работает наш мозг, чем на то, как традиционные компьютеры обрабатывают информацию.

Доктор Брэнфорд, который является научным сотрудником EPSRC по ускорению карьеры на кафедре физики Имперского колледжа Лондона, сказал: "Производители электроники все время пытаются втиснуть больше данных в те же устройства или те же данные в меньшее пространство для портативных устройств, таких как смартфоны и мобильные компьютеры. Однако врожденное взаимодействие между магнитами до сих пор ограничивало то, что они могут делать. В некоторых новых типах памяти производители пытаются избежать ограничений, связанных с магнетизмом, вообще отказываясь от использования магнитов, вместо них используя такие вещи, как сегнетоэлектрическая (флэш) память, мемристоры или антиферромагнетики. Однако эти решения медленные, дорогие или их трудно считывать. Наша философия заключается в том, чтобы использовать магнитные взаимодействия, заставляя их работать в нашу пользу ".

Хотя сегодняшнее исследование представляет собой ключевой шаг вперед, исследователи говорят, что предстоит преодолеть множество препятствий, прежде чем ученые смогут создать прототипы устройств, основанных на этой технике, таких как разработка алгоритма для управления вычислениями. Природа этого алгоритма определит, можно ли использовать состояние комнатной температуры или требуется коллективное поведение при низкой температуре. Тем не менее, они с оптимизмом смотрят на то, что, если эти проблемы удастся успешно решить, новая технология с использованием магнитных сот может быть доступна через десять-пятнадцать лет.

В ходе экспериментов доктор Брэнфорд пропускал электрический ток через непрерывную ячеистую сетку, изготовленную из магнитных стержней кобальта длиной 1 микрометр и шириной 100 нанометров и покрывающую площадь 100 квадратных микрометров (как показано на рисунке). Единое целое ячеистой сетки похоже на три стержневых магнита, сходящихся в центре треугольника. Невозможно расположить их так, чтобы два северных полюса или два южных полюса не соприкасались и не отталкивались друг от друга, это называется "расстроенной" магнитной системой. В одном треугольном блоке есть шесть способов расположить магниты таким образом, чтобы они имели точно такой же уровень разрушения, и по мере увеличения количества треугольных блоков в сотах количество возможных расположений магнитов увеличивается экспоненциально, увеличивая сложность возможных шаблонов.

Предыдущие исследования показали, что внешние магнитные поля могут приводить к изменению состояния магнитной области каждого стержня. Это, в свою очередь, влияет на взаимодействие между этим стержнем и двумя соседними стержнями в сотах, и именно эта картина магнитных состояний, по словам доктора Брэнфорда, может быть компьютерной информацией.

Доктор Брэнфорд сказал: "Сильное взаимодействие между соседними магнитами позволяет нам тонко влиять на то, как формируются узоры по всей соте. Это то, чем мы можем воспользоваться для решения сложных задач, потому что возможны многие разные результаты, и мы можем различать их электронным способом. Наша следующая большая задача - создать массив наномагнитов, которые можно "программировать" без использования внешних магнитных полей".