Новый метод исследования материи

Ученые IBM разработали новый мощный метод исследования и регулирования магнитных явлений на фундаментальном — атомном — уровне.

Новый метод обещает стать важным инструментом не только в попытках понять работу компьютерных электронных схем и элементов систем хранения данных в условиях уменьшения их размеров до атомных масштабов, но и в создании основ для получения новых материалов и вычислительных устройств, использующих магнитные явления атомного уровня.

"Мы открыли окно в мир атомного магнетизма, — сказал Андреас Хайнрих (Andreas Heinrich), сотрудник исследовательского центра IBM в Альмадине, Сан-Хосе, штат Калифорния. — Теперь мы можем устанавливать атомы в заданные положения и управлять их магнитными взаимодействиями с помощью точно сконструированных структур".

Новый метод, получивший название спектроскопии спиновых возбуждений, основан на применении созданного в IBM специального низкотемпературного сканирующего туннельного микроскопа, способного работать в широком диапазоне магнитных полей — вплоть до полей в 140 тысяч раз сильнее земного. Исследователи сначала устанавливают атомы в нужные положения, а затем измеряют взаимодействия между их спинами, которые являются первоосновой магнетизма.

В ходе экспериментов исследователи IBM создавали цепочки длиной до 10 атомов марганца на поверхности с высокими изоляционными свойствами и следили за изменением магнитных свойств по мере добавления новых атомов. Выяснилось, что цепочки с четным числом атомов не имеют суммарного магнетизма, в то время как цепочки с нечетным числом атомов таким магнетизмом обладают.

"Такого рода пионерские исследования жизненно необходимы для развития компьютерной отрасли в долгосрочной перспективе, — отметил Джан-Люка Бона (Gian-Luca Bona), управляющий лабораторией IBM в Альмадине по науке и технологиям. — Где-то в течение ближайших двух десятков лет станет практически невозможно продолжать улучшать характеристики транзисторов и других традиционных микроэлектронных схемных элементов путем простого сокращения их размеров. Нам понадобятся альтернативные структуры, а, возможно, и другие подходы к вычислениям. Технологии, подобные этой, могут дать нам знания, необходимые для создания таких альтернатив".

Эти новые экспериментальные результаты представлены в сегодняшнем номере Science Express — онлайновом бюллетене журнала Science, где публикуются сообщения, которые редакция журнала считает особенно важными и неотложными. Авторами сообщения являются Сайрус Хирджибехедин (Cyrus Hirjibehedin), Кристофер Лутц (Christopher Lutz) и Андреас Хайнрих.

Помимо исследования фундаментальных свойств магнитных материалов, новый метод, по мнению исследователей IBM, может быть использован в будущем и для других целей:

•Для исследования пределов возможностей магнитных устройств хранения данных или для точной настройки энергии, необходимой для изменения коллективной ориентации спинов небольшого числа связанных магнитной связью атомов.

•Для исследования возможностей "спиновых проводников" и спиновой версии "молекулярного каскада" — созданной этой же группой в 2002 году молекулярной системы, которая представляла собой действующую компьютерную схему примерно в 260 тысяч раз меньших размеров, чем такая же схема в традиционном кремниевом исполнении (что соответствует 50 годам сокращения размеров по закону Мура).

•Для исследования возможностей применения специально сконструированных спиновых взаимодействий в квантовых информационных системах, в частности, в квантовых компьютерах.

Предыстория

Новый метод представляет собой развитие созданного этой же группой исследователей IBM в конце 2004 года метода спектроскопии переворота спина, позволяющего измерять магнитные свойства отдельных атомов. В тогдашних экспериментах использовалась изоляционная поверхность из оксида алюминия, но перемещать атомы по такой поверхности было невозможно. В действительности, с тех пор как эта группа ученых IBM в 1990 году впервые продемонстрировала применение сканирующего туннельного микроскопа для перемещения и позиционирования отдельных атомов на металлической поверхности, никто не сумел реализовать перемещение и позиционирование атомов на изоляционных поверхностях из-за их сложной атомной структуры, шероховатости, подверженности повреждениям и сильно меняющихся сил притяжения к атомам. Для экспериментов по измерению магнитных свойств атомов необходима изоляционная поверхность, потому что многочисленные электроны проводимости металла легко подавляют и компенсируют любые изменения спинового магнетизма изучаемых отдельных атомов.

Успех экспериментов по спектроскопии спинового возбуждения стал возможен благодаря тому, что исследователи IBM научились покрывать участки гладкой поверхности металлической меди в одноатомными слоями изоляционного нитрида меди.

Спиновая электроника — это новая отрасль электроники, использующая квантовое свойство электронов и атомов, связанное с их магнитными характеристиками — т.н. спин — в дополнение или в качестве альтернативы традиционным электрическим токам, представляющим собой потоки электрических зарядов. Спин электрона может быть направлен либо "вверх", либо "вниз". Если спины в веществе выстроены направлены одинаково, материал становится магнитным. Большинство веществ немагнитны, поскольку содержат равное количество направленных вверх и вниз электронных спинов, которые компенсируют друг друга. Однако в таких материалах, как железо или кобальт, количество направленных вверх и вниз спинов неодинаково, и они являются магнитными.

Обычные постоянные магниты делаются из ферромагнитных материалов, таких как железо или кобальт. В таких материалах спины атомов выстраиваются в одном направлении, создавая внешнее магнитное поле, которое можно измерять и ощущать. Другие магнитные материалы, такие как марганец, называются антиферромагнитными, поскольку в них спины соседних атомов ориентированы в противоположных направлениях. Такие материалы не имеют внешнего магнитного поля, но обладают интересными с точки зрения спиновой электроники свойствами.

Нынешний результат — очередной в целом ряду достижений ученых IBM Research в области исследований наноструктур. Два исследователя из швейцарской лаборатории IBM были удостоены Нобелевской премии по физике 1986 года за изобретенный в начале 1980-х гг. сканирующий туннельный микроскоп. В последние 16 лет исследователи из лаборатории IBM в Альмадине выполнили ряд пионерских работ по использованию сканирующего туннельного микроскопа для построения из атомов точно рассчитанных структур, которые позволяют лучше понять фундаментальные явления атомного масштаба и могут найти применение в информационных технологиях.

Вот некоторые из результатов группы:

•Позиционирование отдельных атомов на поверхности

•Создание электронного переключателя с единичным атомом в качестве активного элемента

•Изобретение нового вида электронной ловушки — "квантового корраля"

•Открытие эффекта "квантового миража", позволяющего передавать информацию картиной квантовых электронных волн

•Демонстрация полнофункциональной вычислительной схемы на принципе "молекулярного каскада", имеющей размеры в 260 000 раз меньше, чем схемы, изготовленные лучшими современными полупроводниковыми методами

•Демонстрация метода "спектроскопии переворота спина": определение с помощью сканирующего туннельного микроскопа спинового состояния отдельного атома и измерение энергии, необходимой для переворота спина единичного атома.