Сотрудники кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова  продемонстрировали метод управления симметрией кристалла сульфида кадмия (CdS) с помощью терагерцевого излучения, который может быть использован для создания быстрой и энергоэффективной памяти на основе магнитных материалов. Результаты работы, поддержанной грантом РНФ 20-19-00148, опубликованы в журнале Q1 Physical Review B.

Электроника имеет свои ограничения и недостатки, а потому учёные ищут альтернативные способы хранения и передачи информации, которые позволяют превзойти эти ограничения. Один из вариантов — магнитная стрейнтроника. В основе технологии лежит использование двух материалов, находящихся в механическом контакте: пьезоэлектрика и магнитного материала. При подаче электрического импульса за счёт обратного пьезоэффекта в пьезоэлектрике возникает деформация. Эта деформация за счёт механического контакта передается магнитному материалу, и в результате магнитоупругого эффекта происходит переполяризация (переориентировка) доменов. Если выбрать два выделенных угла вектора намагниченности доменов и обозначить их за логический «0» и логическую «1», то появляется возможность записи и считывания информации. Преимущества такой технологии — рекордно низкие затраты на записывание информации (1 аДж, то есть 10^-18 Дж), устойчивость к шумам (их недостаточно, чтобы переполяризовать домен) и возможность быстрого переключения.

Ограничивающим фактором магнитной стрейнтроники является механический контакт между пьезоэлектриком и магнитным материалом. Контакт ограничивает скорость передачи на уровне ГГц, что соответствует возможностям современной электроники. Для преодоления этого барьера авторы исследования предложили отказаться от пьезоэлектрика для управления переполяризацией доменов и вместо этого использовать терагерцевое излучение.

Магнитные кристаллы обладают рядом особых свойств, в том числе некоей инерцией. Для реализации быстрого переключения — порядка пикосекунд — необходимо подбирать излучение с особыми параметрами. Особенность терагерцевого диапазона заключается в том, что в него попадают резонансы молекулярных и атомных колебаний вещества. Терагерцевое излучение может нарушать симметрию кристалла, а значит и управлять анизотропией магнитного кристалла. Для того, чтобы сдвиг атомов и молекул был существенным, необходимы напряженности электрического поля, превышающие порог пробоя при постоянном поле. Чтобы материал остался цел, используют не постоянное поле, а короткий импульс, сфокусированный в область с размерами порядка дифракционного предела.

В статье исследовался кристалл сульфида кадмия (CdS). Он был выбран в качестве модельного объекта для демонстрации применимости выбранной технологии.

Чтобы наблюдать за изменением симметрии решётки, учёные выбрали оптический метод, сочетающий в себе метод «накачки-зондирования» и генерацию гармоник высокого порядка. Кристалл сульфида кадмия обладает центральной симметрией, а потому генерация гармоник чётного порядка (второй, четвёртой и так далее) в нем запрещена. Однако при нарушении симметрии кристаллической решётки генерация становится разрешена, и информация о структурной динамике среды становится «закодированной» в сигнале чётных гармоник.

Сначала на кристалл направлялся интенсивный терагерцевый импульс, который вызывал нарушение симметрии. Спустя некоторое время на вещество попадал оптический импульс, который вызывал процесс генерации гармоник. За кристаллом стоял спектрометр, который регистрировал спектр получившегося излучения. Регулируя задержку между терагерцевым и оптическим импульсами, возможно исследовать временную динамику изменения симметрии — её можно восстановить, регистрируя множество спектров с разными задержками. Такой метод называется спектрохронографией.

Этот подход для кристалла сульфида кадмия был впервые впервые применен в данной работе. Эффективности генерации гармоник оказались на порядок выше, чем в предыдущих исследованиях. Интересно также то, что длина волны второй гармоники попадала в область прозрачности CdS, а длина волны четвёртой — в область поглощения. Возникает фундаментальное отличие механизмов взаимодействия излучения с веществом — в случае четвёртой гармоники генерация идет в приповерхностном слое. Такая одновременная генерация в разных областях была получена впервые.

«У нас получилось междисциплинарное исследование — здесь и атомная физика, и физика конденсированного состояния, и лазерная физика. Глобально мы думаем о том, чтобы создать оптимальное воздействие на материалы, интересные для применений новой магнитной памяти. Это исследование — успешная проба пера, которая говорит о том, что направление выбрано правильное, и такое мультиспектральное воздействие на вещество (терагерцевое и инфракрасное излучение) перспективно именно с точки зрения оптимизации режима воздействия. Комбинируя поля в коротковолновом и длинноволновом диапазонах, можно совершенно по-разному управлять структурной динамикой. Опосредованно через электронную подсистему, используя фундаментально различный характер взаимодействия излучения с веществом: под действием коротковолнового поля электроны осциллируют, а под действием длинноволнового — дрейфуют. Напрямую через фононную подсистему, обеспечивая резонансное возбуждение коллективных колебаний атомов. Это и позволяет искать оптимальные параметры воздействия, которые в конечном счёте обеспечат максимальное быстродействие новой магнитной памяти», — рассказал профессор кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ Фёдор Потёмкин.

Источник: МГУ.