50-letnia anomalia magnetyczna wreszcie zaobserwowana na nanowarstwie 2D

Wewnątrz komory próżniowej na University of Texas at Austin fizycy pobrali pojedynczą warstwę trisiarczku niklu i fosforu (NiPS3) i obniżyli temperaturę, aż szum magnetyczny zamarzł. To, co się wyłoniło, to „sześciozakresowa faza zegarowa” (six-state clock phase) — mikroskopijny krajobraz, w którym spiny atomowe zablokowały się w sześciu odrębnych kierunkach, unieruchamiając teoretyczne wiry magnetyczne w uporządkowane geometryczne wzory.

Jest to pierwsza bezpośrednia obserwacja materiałowa przejścia Bieriezinskiego-Kosterlitza-Thoulessa (BKT), zjawiska przewidzianego w latach 70. XX wieku, które zakłada, że magnesy dwuwymiarowe zachowują się fundamentalnie inaczej niż te trójwymiarowe. Przez pięćdziesiąt lat było to matematyczną ciekawostką. Dziś stanowi wysoce cenioną właściwość mechaniczną dla przemysłu półprzewodnikowego, oferując fizyczną mapę drogową dla układów pamięci spintronicznej, które mogłyby obliczać dane bez generowania ogromnych ilości ciepła, typowych dla tradycyjnej elektroniki.

50-letnie poszukiwania płaskiego magnesu

W latach 70. fizycy teoretyczni udowodnili, że konwencjonalne przejście fazowe magnetyczne nie może wystąpić w idealnie dwuwymiarowym systemie spinów ciągłych. Zamiast tego matematyka sugerowała, że system 2D będzie wspierał wiry — mikroskopijne magnetyczne zawirowania, które łączą się i rozdzielają wraz ze zmianami temperatury.

Problemem było znalezienie materiału wystarczająco czystego, by przetestować te obliczenia. Magnesy w świecie rzeczywistym istnieją w trzech wymiarach, są nękane defektami strukturalnymi, oddziaływaniami rozproszonymi i zakłócającymi sprzężeniami poza płaszczyzną. Aby faktycznie zaobserwować fizykę BKT, naukowcy potrzebowali odizolowanego, atomowo płaskiego magnesu oraz ekstremalnej kontroli kriogenicznej.

Zespołowi z UT Austin udało się uchwycić całą przewidywaną sekwencję w monowarstwie NiPS3. W wyższych temperaturach materiał wykazywał płyn wirów i antywirów. Gdy urządzenie ochładzało się dalej, „przeskoczył” on w sztywną sześciozakresową fazę zegarową, ostatecznie łącząc abstrakcyjne równanie matematyczne z zaprojektowanym materiałem, którym zespoły inżynierskie mogą manipulować.

Usuwanie ciepła z centrów danych

Komercyjna atrakcyjność topologicznych tekstur magnetycznych sprowadza się do zużycia energii. Konwencjonalna elektronika krzemowa przemieszcza ładunek elektryczny przez materiały oporowe, generując ogromne ilości ciepła. Spintronika proponuje wykorzystanie spinu elektronu, wykonując operacje logiczne przy niemal zerowym cieple Joule’a.

Wiry magnetyczne są tutaj szczególnie cenne, ponieważ są chronione topologicznie, co czyni je wysoce stabilnymi wobec lokalnych defektów i szumu termicznego. Jeśli dane można zakodować w tych stabilnych zawirowaniach i sterować nimi za pomocą prądów spinowych, koszty energetyczne pamięci i obliczeń drastycznie spadają.

Jednak zastrzeżenie inżynieryjne jest poważne. Demonstracja UT Austin opiera się na ekstremalnym zimnie oraz delikatnych, ultrawysokiej czystości heterostrukturach van der Waalsa. Grupy materiałowe już spierają się o to, czy różne kombinacje magnetyczne mogłyby osiągnąć podobną stabilność w temperaturze pokojowej, która pozostaje absolutną podstawą dla projektowania komercyjnych chipów.

Ambicje na skalę płytek krzemowych i luka produkcyjna

Z perspektywy europejskiej polityki przemysłowej każdy postęp w sprzęcie obliczeniowym o niskim poborze mocy jest uważnie monitorowany. Bruksela i Berlin powiązały miliardy w ramach pomocy państwowej z suwerennością w dziedzinie zaawansowanych półprzewodników, upatrując w spintronice sposobu na ograniczenie rosnącego zapotrzebowania na energię regionalnych centrów danych i systemów kwantowo-hybrydowych.

Problem strukturalny dla Europy polega na tym, że jej główna siła przemysłowa nie leży w skalowaniu egzotycznych nanoszyldów van der Waalsa. Kontynent dominuje w precyzyjnej litografii, produkcji sprzętu i integracji systemów, ale często pozostaje w tyle w pionierskiej produkcji nowych materiałów.

Jeśli wiry BKT mają trafić z teksańskiego kriostatu do komercyjnych chipów logicznych, będzie to wymagało transatlantyckiego podziału pracy. Wyspecjalizowane laboratoria prawdopodobnie nadal będą mapować platformy materiałowe, podczas gdy europejscy twórcy narzędzi będą musieli wymyślić, jak zintegrować te delikatne warstwy atomowe ze standardowymi procesami technologicznymi krzemu. Bruksela może opracować dyrektywy dotyczące suwerennego łańcucha dostaw. Ktoś inny będzie musiał zająć się kriogeniką.

Źródła

• University of Texas at Austin