Ovladatelné magnetické nanovíry jako budoucnost počítačových pamětí?

„Paměťová buňka tvořená magnetickým vortexem může uchovávat dvojnásobek toho, co současné paměti,“ říká vědec Michal Urbánek.

Výroba magnetických nanodisků (ilustrační foto). | na serveru Lidovky.cz | aktuální zprávy Výroba magnetických nanodisků (ilustrační foto). | foto: © archiv VUT v Brně, CEITECČeská pozice
Výroba magnetických nanodisků (ilustrační foto).

Málokdo ví, že víry neboli vortexy se nevyskytují jen na moři či v podobě tornád, ale i v pevných materiálech, byť mají kupříkladu u nanomagnetů malilinkaté rozměry. Vědci Vojtěch Uhlíř a Michal Urbánek z centra CEITEC / Vysokého učení technického v Brně se spolu s kolegy z Kalifornie zabývají možnostmi, jak takové magnetické nanovíry „ovládnout“. Výsledky jejich výzkumu publikoval v květnu odborný časopis Nature Nanotechnology z rodiny prestižních titulů Nature, jenž má enormně vysoký impakt faktor (31,170).

„Možnost kontroly vortexových stavů je v současnosti ,žhavým tématem‘ jak z hlediska základního výzkumu, tak i z hlediska aplikací. Jednou z nich jsou počítačové paměti, v nichž paměťová buňka tvořená jedním magnetickým vortexem může uchovávat dva bity, což je dvojnásobek toho, co umožňují současné paměti,“ řekl ČESKÉ POZICI jeden z autorů Michal Urbánek, jenž v Brně připravoval vzorky nanodisků, které pak byly měřeny na synchrotronu Advanced Light Source (ALS) v Berkeley.

V dostatečně malinkých magnetických discích vzniknou vortexy, jež mají čtyři základní stavy: první dva určuje takzvaná polarita jádra, směřujícího nahoru nebo dolů, druhé dva jsou určeny takzvanou cirkulací, tedy směrem stáčení magnetického pole v rovině disku (po směru nebo proti směru hodinových ručiček). Předchozí výzkumy se snažily hlavně přepínat polaritu jádra, ale čeští vědci se zaměřili na kontrolu cirkulace, tedy směr stáčení.

Jak přepínat nanovíry

„Podařilo se nám experimentálně prokázat, že cirkulaci magnetizace v nanodiscích je možné efektivně kontrolovat za pomoci mírného ztenčení na jedné straně disku, a že ji lze přepínat velmi rychle, za dobu v řádu jednotek nanosekund,“ říká doktor Urbánek, podle nějž si lze magnetický „nanovír“ oproti běžně známému vodnímu víru představit jako statické a zmražené vektorové pole – ve tvaru víru. Kontrolovat směr stáčení – z jedné strany na druhou – se podařilo pomocí magnetických pulzů.

Na výzkumu spolupracovalo několik institucí. Vedle Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně (odkud Uhlíř a Urbánek pocházejí) i University of California, San Diego (kde je Uhlíř na postdoktorské stáži), a také vědci z Lawrence Berkeley National Laboratory.

Jedním z prvních impulzů pro mladé vědce z nanotechnologické skupiny profesora Tomáše Šikoly (dnes působící v brněnském institutu CEITEC) bylo setkání s teoretikem Romanem Antošem z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy a úvaha, zda by kontrolu cirkulace vírů bylo možné provést i prakticky.

Po Uhlířově kontaktu s vědci ze synchrotronu ALS, kteří využívají rentgenový mikroskop XM-1 umožňující studium dynamiky magnetických nanostruktur, si mladí vědci z Brna podali žádost o projekt, a tedy i o experimentální čas na špičkovém zařízení v USA. Návrh byl dobře hodnocen a přijat ke čtyřem měřením.

Příliš drobné a křehké vzorky...

Urbánek: Celý vzorek je velmi křehký, takže se zničí, jen když se na něj člověk škaredě podívá...Vzorky magnetických nanodisků s vodiči vyrobil Urbánek na VUT. „Je to poměrně obtížné. Vzorky se musejí kvůli pozorování na transmisním mikroskopu připravit na tenkých membránách, jsou to asi jen 200 nm tenké membrány z nitridu křemíku. Na nich se pomocí elektronové litografie vyrábí zkoumané magnetické nanostruktury. Celý vzorek je velmi křehký, takže se zničí, jen když se na něj člověk škaredě podívá,“ usmívá se výzkumník, dle kterého se dá použít asi jen deset procent z připravovaných vzorků. Přitom příprava trvá kolem dvaceti hodin!

Pak si Michal Urbánek krabici se vzorky strčil do batohu a loni v březnu a srpnu zamířil do zaoceánských laboratoří. „Bral jsem vše s sebou na palubu, aby se vzorky nerozbily – dolů do zavazadlového prostoru bych to aerolinkám nesvěřil. Celníci v Americe se mě jen ptali, co to mám, zda je to nějaký biologický nebo jedovatý materiál. Chtěli to jen jedinkrát otevřít, ale stačilo jim vyjádření, že je to velmi křehké a určené pro výzkum,“ říká doktor Urbánek, jenž publikuje v časopisech jako Physical Review nebo Journal of Physics.

Základní výzkum s možnou aplikací

Do magazínu Nature Nanotechnology zaslali vědci svůj článek s názvem Dynamic switching of the spin circulation in tapered magnetic nanodisks loni v říjnu a v březnu byl – po doplnění – přijat k vydání. „Vortexy jsou v současnosti docela top téma. Věnuje se tomu řada skupin: Korejci, Japonci, Američané či Francouzi,“ vysvětlují brněnští vědci, jimž se podařilo ovládnout směr stáčení jako prvním. Řešené téma zaujalo nejen americké vědce, ale pošilhávat po něm bude patrně i průmysl – zvláště ten informatický.

„Extrémně rychlá kontrola cirkulace, společně s již prozkoumanou kontrolou polarity, otevírá nebývalé možnosti využití magnetických vortexů v oblasti elektrotechniky. Využití se nabízí třeba v univerzálních pamětech MRAM, které při odpojení ze sítě neztrácejí uloženou informaci a umožňují okamžitý start počítače. Oproti současným pamětem DRAM dále nevyžadují neustálé obnování a tím šetří i energii. Magnetické vortexy rovněž umožňují mnohonásobné zrychlení oproti běžné operační paměti,“ říká vědec.

Urbánek ale také připomíná, že jde o zajímavý výzkum i z čistě fyzikálního hlediska: o tom, jak fungují magnetické energie, jak mezi sebou soutěží a které a proč nakonec převládnou.

Počet příspěvků: 1, poslední 4.11.2013 03:48 Zobrazuji posledních 1 příspěvků.