Учёные Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory) впервые получили объёмное изображение скирмиона — наноразмерного магнитного вихря. Это настолько устойчивая структура, что она может служить элементом памяти и логики в обычных и квантовых вычислениях. Спиновая сущность скирмиона подразумевает предельно малое потребление энергии и высокую надёжность — всё это может привести к прорыву в системах хранения и расчётов.

Источник изображения: Lawrence Berkeley National Laboratory

Традиционно магнитный скирмион рассматривался как двумерный объект. Однако в реальных условиях материал, в котором возникают скирмионы, имеет некий физический объём, в который скирмионы «запускают» свои «магнитные щупальца» и тоже приобретают объём. В этом объёме структура скирмионов не может считаться однородной. Их спиновая структура претерпевает изменения: от ориентации вверх строго в центре до ориентации строго вниз по краям. Это придаёт скирмионам определённые свойства, которые необходимо учитывать. Но сначала всё это нужно увидеть и измерить.

«Наши результаты обеспечивают основу для метрологии на наноуровне для устройств спинтроники», — сказал Питер Фишер (Peter Fischer), старший научный сотрудник Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли при Министерстве энергетики США, который руководил исследованием.

Для исследования скирмионов учёным предоставила образец компания Western Digital, что само по себе интересно. Это многослойный материал из плёнок иридий/кобальт/платина шириной 800 нм и толщиной 95 нм. Образец исследовался с помощью мягкого рентгеновского излучения методом магнитно-рентгеновской ламинографии в Швейцарии.

С помощью рентгеновской ламинографии «вы можете в принципе реконфигурировать [скирмион] на основе множества изображений и данных», как пояснили авторы работы. Этот процесс занял месяцы и, в конце концов, позволил лучше понять спиновые структуры скирмионов. Полное понимание 3D-спиновой текстуры скирмионов «открывает возможности для изучения и адаптации 3D-топологических спинтронных устройств с расширенными функциональными возможностями, которые не могут быть достигнуты в двух измерениях».

Учёные из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли подобрали перспективный, недорогой и экологически безопасный состав чернил для широкого спектра применений в производстве и быту. Новинка поможет выпускать дисплеи нового поколения для электроники, будет использоваться в предметах одежды и служить основой для 3D-печати светящихся и люминесцирующих моделей.

Модели Эйфелевой башни, напечатанные с использованием новых люминесцентных чернил. Источник изображения: Berkeley Lab

«Благодаря замене драгоценных металлов более доступными в природе материалами, наша технология супрамолекулярных [супермолекулярных] чернил может кардинально изменить правила игры в индустрии OLED-дисплеев, — заявил главный исследователь проекта Пейдонг Янг (Peidong Yang), старший научный сотрудник отдела материаловедения Berkeley Lab и профессор химии, материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли. — Что ещё более захватывающе, так это то, что технология может также распространить свое применение на печать органических плёнок для изготовления носимых устройств, а также люминесцентных рисунков и скульптур».

Исследователи пояснили в статье в журнале Science, что новый материал состоит из порошков, содержащих гафний (Hf) и цирконий (Zr), которые можно смешивать в растворе при относительно невысоких температурах: от комнатной до примерно 80 °C. При нагревании образуются «чернила», которыми дальше можно пользоваться по своему усмотрению. Подобный скромный нагрев позволит значительно снизить затраты на производство, которое, как правило, довольно энергоёмкое, если говорить о современных реалиях.

Представление новой супермолекулы «чернил»

Более того, новые чернила способны подтолкнуть к появлению более устойчивых к воздействию окружающей среды плёнок на основе перовскита. Они могут заменить современные соединения перовскита со свинцом, предложив более экологически чистую альтернативу перспективным светящимся и фотопреобразующим перовскитным пленкам.

Но это в отдалённой перспективе. Найденный в Беркли супермолекулярный состав был испытан на люминесценцию и её эффективность. Выяснилось, что при освещении материала ультрафиолетовым светом он почти 100 % энергии переводит в оптический диапазон. Это редкая удача, которая позволит максимально увеличить эффективность будущих плоскопанельных дисплеев. Правда, найдены только соединения для синего и зелёного спектра, тогда как с красным пока не заладилось.

В качестве эксперимента была изготовлен тонкоплёночный дисплей, работа которого в виде быстрой смены букв английского алфавита показана выше на видео. Нетрудно заметить, что даже лабораторная разработка показывает отличную скорость реакции, что важно для дисплеев.

Не менее интересно выглядит перспектива использования нового супермолекулярного соединения для 3D-печати. Напечатанные таким образом миниатюры будут светиться, что позволит, например, создавать таким образом декоративные осветительные приборы. Наконец, светящиеся чернила с поддержкой низкотемпературно процесса способны сказать новое слово в одежде. Это может быть как спецодежда для работы в условиях плохой освещённости, так и повседневная со своей изюминкой в дизайне.

Основа микроэлектроники — кремний — может продолжить жизнь в эпоху квантовых компьютеров, заявили учёные из США. Для этого они получили новый материал из аморфного кремния, который назвали Q-кремний. Необычной особенностью Q-кремний стала намагниченность при комнатной температуре, что открывает путь к использованию в электронике спинов электронов вместо зарядов.

Источник изображения: Pixabay

Открытие сделали учёные из Университета штата Северная Каролина (NCSU). Они облучали обычный аморфный кремний короткими (наносекундными), но мощными лазерными импульсами. Кремний плавился и быстро подвергался охлаждению. После такой процедуры «закаливания» получался материал с нетипичными для кремния свойствами — он начинал магнититься без приложения внешнего магнитного поля. Иначе говоря, кремний превращался в ферромагнетик при комнатной температуре.

Подобное свойство может помочь объединить в одном кремниевом чипе обычные электронные цепи и цепи, построенные на работе с магнитным моментом электрона. Это молодой раздел электроники, и он называется спинтроника. К преимуществам спинтроники можно отнести высочайшую энергоэффективность, поскольку цепи оперируют не токами с их высокими потерями мощности, которая рассеивается теплом, а спинами электронов. Также спинтроника обещает лечь в основу квантовых компьютеров, которые используют магнитный момент электрона как кубит.

О своей работе учёные сообщили в журнале Material Research Letters. Принесёт ли Q-кремний практическую ценность или нет, это современной науке неизвестно. Будем надеяться, что открытие окажется полезным.