Читать дальше...В научном фольклоре наших дней есть крылатые слова: “если из всех накопленных знаний потребовалось бы сохранить одну фразу, концентрирующую самые важные из них, то это было бы утверждение: “Весь наблюдаемый мир состоит из атомов””.
В наши дни мечта использовать атомы в качестве строительного материала для создания искусственных конструкций и веществ, не существующих в природе, становится реальностью. Современные возможности блестяще продемонстрировали физики из исследовательского центра корпорации IBM: им удалось уложить 35 атомов ксенона в буквы “I”, “B”, “M” высотой около 9 нм. Это было сделано в начале 1990 г. К настоящему времени получены разнообразные наноструктуры, из которых наиболее популярны квантовые и магнитные точки, квантовые ямы, квантовые нити, нанопроволоки, сверхрешетки.
Термины “точки”, “ямы”, “нити”, “проволоки” характеризуют главным образом очевидные геометрические свойства этих объектов, прилагательное “квантовый” отражает тот факт, что их поведение и свойства в значительной степени определяются не классической, а квантовой механикой.
В мире нанообъектов одно из центральных мест занимают ультрамалые частицы, состоящие из небольшого числа атомов (10-10000). Эти образования называют по-разному: наночастицами, нанокристаллами, квантовыми точками, но чаще всего - нанокластерами. Их свойства, как правило, разительно отличаются от объемных свойств материалов такого же состава. Особенно интересны магнитные нанокластеры, так как наличие внутренней, дополнительной степени свободы - магнитного момента - придает большое разнообразие их свойствам и позволяет управлять их состоянием. Для магнитных материалов этого можно добиться при помощи внешнего магнитного поля.
Магнетизм - квантовомеханическое явление по сути. Наибольшего внимания заслуживают атомы переходных металлов (Fe, Co, Ni и др.), лантаноидов (редкоземельных элементов) и актинидов.
Магнитные кластеры представляют собой звено, соединяющее микроскопический магнетизм индивидуальных атомов и макроскопический магнетизм кристаллических и аморфных тел. Поэтому их называют иногда мезоскопическими магнитами.
При изучении свойств мезоскопических магнитов возникает ряд специфических проблем. Первая - технологическая. Как создать нанокластеры с контролируемыми размерами и свойствами? Вторая проблема - как измерить физические величины, характеризующие магнитные свойства ультрамалых частиц, размер которых составляет величину порядка 1-100 нм?
От доменов к однодоменным частицам. Уже более 50 лет тому назад, в ходе изучения доменной структуры ферромагнетиков был поставлен вопрос: можно ли создать образцы магнитоупорядоченные, но без доменной структуры? Что это даст? Ведь наличие доменной структуры сильно осложняет поведение магнитных тел, поскольку многие важные свойства, связанные с ней, зависят от таких факторов, как дефекты материала, форма образца, механические напряжения, состояние поверхности и т.п.
Образование доменов с различающимися направлениями вектора намагниченности (в образце достаточно больших размеров) эту энергию снижает. Однако между доменами появляются переходные области — доменные стенки, и их вклад в энергию становится все весомее по мере снижения линейных размеров системы.
Критический размер образца, ниже которого существование доменов в нем энергетически невыгодно, рассчитал известный магнитолог профессор МГУ Е.И. Кондорский еще в 1952 г. Эта величина оказалась равной примерно 10 нм для классических ферромагнетиков типа Fe, Ni, Co.
Модель перемагничивания однодоменных частиц. Английские физики Э.Стонер и Э.Вольфарт предложили простую и элегантную модель перемагничивания однодоменных частиц. Согласно модели процесс перемагничивания частицы происходит когерентно: все спины образца поворачиваются так, что все время остаются ориентированными параллельно друг другу. Это означает, что энергия образца фактически зависит от одной коллективной переменной, например единичного вектора, направленного вдоль вектора намагниченности.
Моделирование перемагничивания с помощью компьютерных программ. Исследования последних лет показали, что картина перемагничивания малой частицы, следующая из модели Стонера—Вольфарта, не вполне точна. Хотя в равновесии распределение намагниченности по объему частицы может быть практически однородным, однако, переходный процесс переключения протекает не когерентно — не все спины поворачиваются одновременно.
Исследования с помощью компьютеров процессов перемагничивания малых частиц очень актуальны, так как устройства памяти, сенсоры, элементы, считывающие информацию, разрабатываются пока на базе магнитных объектов (например, тонких однослойных и многослойных прямоугольных полосок размером 1000 нм и менее и толщиной порядка 10 нм). Поэтому математическое моделирование имеет не только познавательный интерес — оно непосредственно используется при проектировании новых магнитных элементов памяти.
Например, получены результаты компьютерного моделирования кинетики перемагничивания трехслойного субмикронного элемента с антиферромагнитным взаимодействием между слоями, так называемого спинового переключателя (spin—valve). Это основной элемент магнитной оперативной памяти MRAM (Magnetic Random Access Memory) с очень хорошими параметрами — информационной плотностью, быстродействием, энергонезависимостью, — которую разрабатывают в настоящее время в ведущих компьютерных компаниях мира. Эволюция распределения спиновой плотности в процессе перемагничивания протекает некогерентно и в данном случае. Это очень важный результат: знать, как происходит этот процесс, крайне необходимо, чтобы оптимизировать прибор и прогнозировать характеристики памяти.
По супервременам — и суперпарамагнетизм. Если размер частицы достаточно мал, величина барьера между минимумами энергии может стать сравнимой с тепловой энергией. В этом случае вероятность того, что магнитный момент под влиянием тепловых флуктуаций спонтанно переориентируется, скажем, из метастабильной позиции (θ = 0) в равновесную (θ = p), т.е. преодолеет этот барьер, перестанет быть пренебрежимо малой. (Подобные термостимулированные флуктуации намагниченности называют иногда суперпарамагнитными флуктуациями.) На это впервые обратил внимание французский ученый Л.Неель в 1949 г., изучая свойства малых частиц магнетита Fe3O4 в земных породах. Процесс термостимулированного перехода из метастабильного минимума энергии в стабильный называют релаксацией.
Неель рассмотрел поведение ансамбля частиц в достаточно сильном магнитном поле. Это напоминает процесс релаксации в парамагнетиках, изучаемый обычно с помощью техники электронного парамагнитного резонанса. Однако есть и существенные различия. Для парамагнетиков время релаксации τ приближенно равно 10-7—10-12 с, а для малых магнитных частиц значительно больше — на многие порядки величины!
Неель назвал материалы, которые можно рассматривать с точки зрения магнетизма как ансамбли независимых малых магнитных частиц, суперпарамагнетиками, а их квазипарамагнитное поведение — суперпарамагнетизмом. Магнитные характеристики суперпарамагнитных материалов могут лишь медленно изменяться со временем; помимо магнитной релаксации такое поведение называют также магнитным последействием или магнитной вязкостью.
Время релаксации сильно зависит от объема частицы. Например, для сферической частицы Fe при специально подобранных параметрах оно может быть соответственно и 30 лет, и 7 суток. У очень малых частиц время релаксации τ бывает достаточно малым, поэтому при измерении с небольшим временным разрешением магнитный момент частицы совершает несколько переходов между минимумами энергии.
При достаточно низкой температуре, когда термические флуктуации малы и не могут “перебрасывать” магнитный момент через барьер между соседними потенциальными ямами, этот вектор может переориентироваться в результате квантовой флуктуации или, другими словами, протуннелировать из одного минимума энергии (метастабильного) в другой (равновесный).
Вмешивается квантовая механика. Новое интересное явление обнаружилось, когда изучали, как скорость магнитной релаксации ультрамалых частиц зависит от температуры. При приближении температуры к абсолютному нулю эта величина должна также стремиться к нулю. Однако целый ряд недавних экспериментов показывает, что это не так: на самом деле скорость релаксации стремится к ненулевому пределу. Этот факт исследователи связывают с процессом макроскопического квантового туннелирования (МКТ) намагниченности, когда при достаточно низкой температуре магнитный момент может переориентироваться в результате уже не тепловой, а квантовой флуктуации. (Туннельный эффект легко интерпретировать на основе соотношения неопределенности Гейзенберга.)
Открытие Макроскопического Квантового Туннелирования — одно из наиболее впечатляющих достижений физики конденсированного состояния за последнее десятилетие ХХ в. Этот эффект очень важен для понимания закономерностей перехода от классических представлений к квантовой физике — промежуточной области, где до сих пор остается много неясных вопросов. С другой стороны, напомним, что именно наномагниты, с их характерным квантовым поведением, считаются первыми кандидатами на роль материальной базы квантовой информатики — новой научной дисциплины 21-го столетия.
Явление макроскопического квантового туннелирования. При достаточно низкой температуре, когда термические флуктуации малы и не могут “перебрасывать” магнитный момент через барьер между соседними потенциальными ямами, этот вектор может переориентироваться в результате квантовой флуктуации или, другими словами, протуннелировать из одного минимума энергии (метастабильного) в другой (равновесный).
Однако, такой важный параметр как объем V туннелирующего нанокластера был плохо контролируемой величиной. Даже небольшой разброс в величине объема V приводит при низких температурах к большой неопределенности результатов. Естественным поэтому было стремление экспериментаторов найти объекты, в которых этот важный параметр - объем V - был бы строго фиксирован. И такие физические объекты были найдены. Ими оказались высокоспиновые металлорганические молекулы, которые построены с участием ионов переходных элементов (Fe, Mn и др.). Подобные молекулы также часто называют магнитными кластерами.
Читать дальше...Идея, что туннелировать через потенциальный барьер может не только материальная частица, а некая характеристика квантовой системы (в данном случае магнитный момент), получила дальнейшее развитие. Появились работы, в которых исследуется туннелирование необычных и весьма сложных “объектов”, в качестве которых выступают особенности в распределении поля спиновой плотности в кристалле, пленке, нанопроволоке. Такими особенностями могут быть доменные стенки, солитоны, магнитные вихри. Типичный размер подобных образований 1—100 нм. Их уместно назвать магнитными квазичастицами, так как их динамические свойства напоминают свойства материальных частиц — как и последние, они могут обладать массой, импульсом, энергией, скоростью и т.д.
Естественно, они могут туннелировать и между состояниями с одинаковой энергией, которые различаются распределениями спиновой плотности. Возможно даже туннельное рождение магнитных квазичастиц из “вакуума”, в качестве которого в данном случае выступает пространственно однородное распределение спинов. Важно только, чтобы были удовлетворены все необходимые законы сохранения: энергии, импульса, углового момента. Это очень богатая область, и главные открытия здесь еще впереди.
Плотность записи информации и быстродействие компьютеров пока возрастают со временем по экспоненциальному закону. Очевидно, обе величины напрямую связаны между собой, и увеличение первой влечет за собой увеличение второй. Быстрое усовершенствование магнитных носителей достигнуто во многом благодаря использованию мелкозернистых магнитных сред с малым взаимодействием между зернами. Это обеспечивает низкий уровень шумов и в конечном счете высокие значения плотности записи и быстродействия (1—2)·107 бит/см2 и (2·106—109) бит/с (скорость считывания). К 2005 г. планируется выйти на 109 бит/см2 и 2·109 бит/с при толщине магнитного носителя около 30 нм. А вообще считается, что на этом пути можно достичь плотности записи до 1010 бит/см2, что ограничивается минимальным размером запоминающего элемента (“размером бита информации”) ~ 100 нм.
Стратегия повышения плотности информации основана на концепции “отдельная частица — один бит информации”. Это означает, что запись бита должна производиться в отдельную частицу магнитного носителя. При этом магнитная память ближайшего будущего рассматривается как система слабо связанных между собой частиц. Такой магнитный носитель информации называют квантовым диском. Но в ближайшем будущем (при размере зерна порядка 10 нм) вступят в действие ограничения, связанные с тепловыми флуктуациями. Число атомов в элементе будет настолько малым, что элемент станет нестабильным относительно тепловых флуктуаций при комнатной температуре и память придется охлаждать, чтобы понизить скорость спонтанного термостимулированного переключения элементов. На следующем этапе придется учитывать ограничивающее влияние квантовых флуктуаций, т.е. спонтанных переключений путем макроскопического квантового туннелирования.
Вспомним, не даром я говорил в начале о логике! Здесь мы подходим к близкой теме - Квантовые компьютеры. Информацию по ним можно прочесть в
этой теме.
Форум
Блоги
Что нового?
Сжатие информации (с точки зрения квантовой механики)
Ответить с цитированием
Сообщение от fktrctq
. И еще по поводу свехнизких температур. Насколько я помню, 1 Кельвин можно получить двумя способами (вспоминая лекчии по криологии 
):
. А если всё это ужать до размеров того же DVD диска... дальше мой мозг отказывается работать.
