Vědci ze švýcarské polytechnické univerzity v Lausanne (EPFL) vyvinuli tzv. supermřížku z jednoatomových magnetů uložených na grafenovém podkladu. Nové zařízení disponuje hustotou záznamu až 115 terabitů na čtvereční palec (tj. cca 18 Tbit/cm2). Studii publikoval vědecký časopis Nano Letters, informoval web Phys.org.
Jeden bit v jednom atomu
„Jednoatomové magnety představují horní hranici ultra-magnetických paměťových zařízení. Dosud se výzkumníci zaměřovali především na studium magnetických vlastností jednotlivých atomů a malých skupin atomů náhodně rozmístěných na podložkách,“ řekl spoluautor studie Stefano Rusponi.
„V naší studii jsme prokázali, že je možné vytvořit supermřížku složenou z jednotlivých atomů se stabilní magnetizací. Vytvořili jsme tak první prototyp paměťového média, ve kterém se jeden bit informace uloží do jednoho atomu,“ dodal Rusponi.
Nejdůležitější vlastností jednoatomových magnetů uchovávajících data je podle vědců jejich magnetická stabilita. Tyto magnety se zároveň nesmí vzájemně ovlivňovat, protože by mohlo dojít ke ztrátě dat.
Supermžířka z atomů dysprozia na grafenovo-iridiovém podkladu a naměřená široká hysterezní smyčka svědčící o vysoké stability atomových magnetů (zdroj: Baltic et al.)
Požadovaná kritéria se vědcům podařilo dosáhnout pomocí atomů prvku dysprosia s vhodnými magnetickými vlastnostmi. Podkladový substrát pro jejich umístění vyrobili z grafenu a iridia, jejichž spojené struktury vytvářejí pravidelné vzory, takzvané moiré obrazce. Na těchto vzorech se ve stejné vzdálenosti od sebe tvoří adsorpční centra přitahující atomy dysprosia.
Atomy si hledají své pozice v mřížce
Když se atomy dysprosia nanesou na substrát při teplotě asi 40 kelvinů (přibližně -233 °C), nastane jejich povrchová difúze a „rozběhnou“ se po povrchu. Tento pohyb zajistí, aby si našly svá nejvýhodnější adsorpční centra, kde se přichytí. Vytvoří tak uspořádanou mřížku s průměrnou vzdáleností mezi atomy pouze 2,5 nanometru.
Kvantové tunelování umožňuje procházet částicím přes potenciálovou bariéru s vyšší energií než má samotná částice.
Magnetickou stabilitu atomů ovlivňuje několik faktorů zahrnujících rozptyl po interakci s povrchovými elektrony a fonony nebo kvantové tunelování magnetických stavů.
Grafen má naštěstí velmi nízkou hustotu elektronů a fononů, díky čemuž mohou uspořádané atomy klidně „sedět“ na povrchu. Atomy dysprosia se navíc nacházejí v magnetickém stavu, který zabraňuje kvantovému tunelování. Tyto vlastnosti spolu výrazně přispívají k magnetické stabilitě supermřížek a nezvratnosti magnetizačního procesů v jednotlivých atomech.
Základ nové generace pamětí
Koncepce supermřížek by se díky extrémně vysoké záznamové hustotě mohla stát základem nové generace pamětí. Pokud k tomu má dojít, musí vědci ještě překonat některé praktické nedostatky.
„Magnetická stabilita atomů dysprosia je omezena na teploty pod 10 kelvinů a je citlivá na znečištění. Při experimentech je proto třeba používat velmi vysoké vakuum,“ řekl Rusponi.
„V budoucnu plánujeme zlepšit výkon magnetické jednoatomové supermřížky. Nejprve chceme zvýšit maximální teplotu, při které přetrvává magnetická stabilita. Hledáme proto optimální kombinaci různých druhů atomů a podkladového substrátu. Pak se budeme snažit ochránit supermřížky krycí vrstvou, abychom zachovali vlastnosti magnetických atomů,“ dodal Rusponi.
