Magnetické súčiastky a ich energetické mapy
Elimináciou mechanických súčastí pevných diskov by bolo možné výrazne zvýšiť ich rýchlosť, spoľahlivosť a životnosť. Magnetické hlavy možno nahradiť elektrickými impulzmi, je však takto uložená informácia dlhodobo stabilná?Na túto otázku hľadá odpoveď tím vedcov z FMFI UK (Roman Martoňák) a z Elektrotechnického ústavu SAV (Jaroslav Tóbik a Vladimír Cambel) v štúdii publikovanej v časopise Physical Review B: Rapid Communications.
Jednou z významných aplikácií magnetických materiálov, s ktorou sa stretávame v každodennom živote, je ukladanie informácií. V súčasnosti najpoužívanejším záznamovým médiom je pevný disk. Klasické pevné disky využívajú mechanický pohyb záznamového média a magnetických hláv, čo nie je optimálne z hľadiska požiadaviek nízkej energetickej náročnosti a hlučnosti a vysokej rýchlosti a spoľahlivosti. Preto do produkcie pamäťových médií vstúpili nové technológie a sem smeruje aj súčasný trend využitia magnetických materiálov. Ukázalo sa, že magnetický stav magnetických elementov je možné prepínať čisto elektricky, prúdovými impulzmi, čím sa dá vylúčiť mechanický pohyb aj použitie magnetických hláv. V oblasti vývoja a výskumu sa pracuje s rôznymi konceptmi moderného dizajnu budúcich magnetických pamäťových médií [1]. Mali by byť rýchle a napäťovo nezávislé, aby si mohli zachovávať uloženú informáciu aj po vypnutí energetického zdroja. Zvažuje sa využitie rôznych exotických magnetických textúr, napríklad magnetických vírov[2], skyrmiónov[3], magnetických boberov[4], atď. Ich využitie je motivované ich stabilitou, ktorá je topologického pôvodu. Dlhodobá stabilita zapísaného stavu je mimoriadne dôležitá, pretože uloženú informáciu chceme kedykoľvek spoľahlivo prečítať, a to rovnako o minútu alebo o rok. A práve tu môže nastať problém - ako vieme určiť, či sa zapísaná magnetizácia udrží dostatočne dlho?
Na pomoc prichádzajú počítačové simulácie, avšak ani tieto nedokážu problém vyriešiť hrubou silou. Môže sa to zdať prekvapujúce, ale priama simulácia časového úseku dĺžky napr. jednej sekundy je nemožná. Časové škály v mikro a makrosvete sú jednoducho príliš rozdielne a preto musíme použiť sofistikovanejší prístup. Štatistická fyzika hovorí, že o dynamike systému, čiže o tom, ako sa vyvíja v čase, rozhoduje takzvaná voľná energia. Túto možno reprezentovať pomocou energetickej mapy, ktorú si dokážeme predstaviť podobne ako bežnú geografickú mapu. Jednotlivé stabilné stavy majú podobu hlbokých alebo plytkých údolí, ktoré sú oddelené horskými masívmi. Na horských hrebeňoch sa nachádzajú sedlá, a práve cez tieto dochádza k prechodom z jedného stavu do druhého. Výška týchto sedlových bodov určuje tzv. energetickú bariéru a rozhoduje o tom, za aký čas nastane prechod, a teda o stabilite zapísanej informácie. Určenie energetickej mapy a identifikácia údolí a sedlových bodov je preto kľúčom k riešeniu nášho problému. Takýto problém prechodu cez energetickú bariéru však nie špecifický pre mikromagnetizmus. V rôznych podobách sa vyskytuje v mnohých oblastiach fyziky a chémie a na jeho riešenie boli vypracované početné metódy. Jednou z najúčinnejších je tzv. metadynamika [5], ktorá bola úspešne použitá na skúmanie širokej triedy problémov, ako napr. skladanie proteínov (protein folding), kryštalizácia, štruktúrne transformácie, chemické reakcie, atď. Skupina výskumníkov z Elektrotechnického ústavu SAV (Jaroslav Tóbik a Vladimír Cambel) a z Katedry experimentálnej fyziky FMFI UK (Roman Martoňák) po prvýkrát ukázala, že túto efektívnu techniku možno použiť aj v oblasti mikromagnetizmu a aplikovala ju na určenie energetickej mapy nanomagnetickej súčiastky. Všeobecnú metódu bolo najprv potrebné adaptovať na daný problém vhodnou voľbou tzv. kolektívnych premenných. Ukázalo sa, že metadynamický algoritmus umožňuje efektívne a detailne simulovať proces, pri ktorom magnetický vír vniká, resp. vychádza zo súčiastky, a určiť príslušnú energetickú mapu (Obr.1). Toto doposiaľ nebolo možné s použitím predchádzajúcich techník. Výsledky naznačujú, že metadynamika otvára nové možnosti výskumu v oblasti mikro, resp. nanomagnetizmu. Okrem určenia energetických máp bude tiež možné hľadať nové typy magnetických štruktúr a detailne kontrolovať magnetizáciu. Predpokladá sa aj aplikácia na už spomínané exotické textúry, ktoré v súčasnosti predstavujú veľmi perspektívny smer výskumu a vývoja. Práca bola publikovaná v časopise Physical Review B v sekcii Rapid Communications, ktorá uverejňuje krátke články s vysoko originálnym a významným obsahom.
Jaroslav Tóbik, Roman Martoňák, and Vladimír Cambel: Free-energy landscapes in magnetic systems from metadynamics. Phys. Rev. B 96, 140413(R) zalinkovane na https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.140413
[1] Racetrack memory: https://en.wikipedia.org/wiki/Racetrack_memory
[2] Magnetic Vortex: https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_spin_vortex_disc
[3] Magnetic skyrmion: https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_skyrmion
[4] F. Zheng,et.al.: Experimental observation of magnetic bobbers for a new concept of magnetic solid-state memory, arxiv:1706.04654, https://arxiv.org/abs/1706.04654
[5] A. Laio and M. Parrinello, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99, 12562 (2002).