Стрейнтроника против кризиса магнитной памяти.
Успех в современной науке редко бывает делом рук одиночек. Чаще это результат синергии школ, поколений и институтов. Наглядный пример - проект по стрейнтронике, выполняемый междисциплинарной командой по гранту Российского научного фонда. Ученые из четырех ведущих научных центров доказали, что домены в материале можно создавать простым нажатием, и теперь ищут сверхсильный флексомагнитный эффект в пленках толщиной в две молекулы.
Благодаря долгосрочной поддержке РНФ эта команда создает прототипы устройств, в которых магнитным состоянием можно управлять, используя механическое напряжение, что открывает пути к сверхэнергоэффективным вычислениям.
Как им это удается? Какие уникальные методики, готовящие почву для технологий завтрашнего дня, породило их сотрудничество? Об этом «Поиску» рассказывает руководитель проекта профессор Александр ПЯТАКОВ - один из ключевых российских исследователей, работающих на стыке магнетизма, механики и электроники.
– Александр Павлович, как бы вы объяснили суть стрейнтроники человеку, далекому от физики?
– Strain по-английски означает механическую деформацию - растяжение, сжатие, изгиб. Так что если говорить совсем просто, стрейнтроника - это электроника, в которой управление элементами происходит не с помощью электрического напряжения, а за счет напряжения механического. Элементы в таких устройствах работают благодаря тому, что в них возникают крошечные деформации. Их чуть-чуть тянут, чуть-чуть сжимают, и это меняет их магнитные свойства.
– Ваш проект, реализуемый при поддержке гранта РНФ (№25-79-30019), предлагает пути к созданию принципиально более эффективных, чем сегодня, вычислительных устройств. Почему современные системы для вычислений и хранения информации остро нуждаются в новой системе управления с помощью магнитных элементов?
– В магнитной электронике ощущается некий «кризис жанра». Сравните роль жестких дисков в нашей жизни десять лет назад и сегодня. Да, они по-прежнему наиболее дешевые в пересчете на бит информации, но твердотельные SSD-накопители уже вытеснили их с рынка в очень многих областях. У жестких дисков есть минусы: они медленные, хрупкие и, что особенно важно, энергозатратные.
Это обидно потому, что сам процесс перемагничивания, то есть переключения магнитного элемента, - потенциально один из самых энергосберегающих среди всех логических операций. Но в жестких дисках до сих пор используют методы времен Ханса Христиана… Даже не Андерсена, а его старшего современника и соотечественника Ханса Христиана Эрстеда, который двести лет назад открыл магнитное действие электрического тока! Мы и сегодня создаем магнитное поле током по его методу. В условиях миниатюризации это приводит к огромным плотностям токов.
В спиновой электронике, наиболее передовой области магнитной электроники, токи достигают мегаампер на квадратный сантиметр. Для сравнения: в электродвигателях плотности токов в тысячи раз меньше, и даже увеличение их в десять раз вызывает аварийный перегрев. А в спиновой электронике при таких плотностях начинается не только нагрев, а электромиграция - электроны буквально «сносят» атомы вещества.
Стрейнтроника предлагает способ, который потенциально на порядки эффективнее. А именно: электрическим полем вызвать механическую деформацию, например, через пьезоэлектрический или гораздо менее известный флексоэлектрический эффект, и с помощью этой деформации переключить магнитный элемент. Теоретический предел энергии такого переключения в тысячу раз меньше, чем в современных транзисторах!
– Вы упомянули малоизвестный флексоэлектрический эффект. Одна из задач проекта - доказательство предсказанного вами флексомагнитного эффекта в двумерных магнетиках. В чем суть этих эффектов? Что именно и как вы рассчитываете подтвердить экспериментально?
– Долгое время мне приходилось объяснять, что значит приставка «флексо». Теперь это проще: появились тренировки Flex, да и молодежь активно использует слово «флексить». В контексте физики все тоже довольно понятно: флексоэффекты - это явления, вызванные изгибом.
Флексоэлектрический эффект - появление при изгибе электрической поляризации. Он свойственен любому твердому телу. Это отличает его от пьезоэлектричества, которое возникает только в кристаллах без центра инверсии, проще говоря, симметрии. Есть даже гипотеза, что похожие явления возникают в земной коре, отсюда возможные электрические предвестники землетрясений: вспышки света, необычные окраски облаков.
Аналогично работает флексомагнитный эффект, но намагниченность появляется при изгибе в материале. И материалов, в которых он может возникнуть, не так много.
Представьте себе двумерную структуру толщиной всего в два молекулярных слоя, один слой - «плюс», другой - «минус», при этом их намагниченности полностью компенсируют друг друга. Такой антиферромагнетик CrI₃ открыли всего несколько лет назад.
Теперь изогнем этот объект. Один слой слегка сжимается, другой растягивается, и магнитные ионы попадают в разные условия. Баланс нарушается, и возникает декомпенсированная намагниченность. Таков «на пальцах» механизм флексомагнитного эффекта.
– Почему в своем проекте вы делаете акцент именно на двумерных материалах?
– Дело в том, что они очень гибкие уже в силу своей геометрии. Кроме того, между слоями действуют вандерваальсовы силы (слабые межмолекулярные и межатомные силы притяжения), что позволяет легко отделять слои друг от друга и усиливает эффект.
Наши оценки показывают: в двумерных антиферромагнетиках флексомагнитный эффект должен быть в сотни раз сильнее, чем в обычных объемных материалах. Но от теории до практики путь долгий. Мы учимся выделять пленки контролируемой толщины, ищем подходящие подложки для требуемого изгиба, разрабатываем методы оптического детектирования намагниченности ультратонких слоев.
– Что представляет собой современная экспериментальная инфраструктура в вашей области? Насколько велика зависимость от зарубежных технологий?
– Материалы, из которых мы получаем двумерные пленки, всем доступны, их можно купить. Изучаем мы их в основном оптическими методами, и наши эксперименты требуют высокой точности в расположении оптических элементов и настройки лазеров.
Многие годы мы полностью зависели от зарубежного оборудования. Однако с середины прошлого десятилетия ситуация постепенно начала меняться к лучшему. В импортозамещении оптомеханики большую работу проделал наш индустриальный партнер российская компания полного цикла ЛАССАРД. В рамках сотрудничества с ней мы развиваем методики визуализации двумерных материалов с помощью спектрофотометрии, что позволяет изучать их физические и химические свойства.
Один из показательных совместных проектов - настольная установка на основе интерферометра Майкельсона. Это удивительный прибор для точнейшего измерения ультрамалых смещений. Достаточно сказать, что подобная схема, только в километровых масштабах, используется для детектирования гравитационных волн, где средние смещения поверхностей элементов в миллиарды раз меньше размеров атома. Но и на столе такой метод дает точность в десятки нанометров - вполне достаточно, чтобы исследовать рельеф и складки на поверхности двумерных материалов. Помимо очевидной учебной ценности для задач физического практикума это полезный инструмент, востребованный в научных исследованиях и технологических процессах.
– Расскажите о вашей лаборатории. Как вы пришли к теме проекта? Какие компетенции команды позволяют ей работать на мировом уровне в такой сложной области?
– Наш проект - наверное, классический пример того, как складывается сотрудничество разных научных групп. В данном случае это РТУ МИРЭА, МГУ, Московский физтех и Институт общей физики РАН.
Разумеется, такая кооперация не возникла за один день.
Мое научное становление связано с кафедрой физики колебаний физфака МГУ. Там в группе профессора Александра Сергеевича Логинова я сделал первые шаги в эксперименте. Меня обучали получать изображения не только магнитных доменов, но и едва уловимых линий Блоха - топологических дефектов в доменных границах.
Тогда же, в мои студенческие годы, Александр Сергеевич познакомил меня с выдающимся теоретиком магнетизма профессором Анатолием Константиновичем Звездиным из ИОФ РАН. Совместная работа привела к идее воздействовать на магнитные доменные границы статическим электрическим полем. Многим это казалось почти нарушением законов электродинамики. Однако после долгих поисков мы нашли подходящие материалы и смогли заставить доменные границы притягиваться и отталкиваться от заряженного электрода.
Никаких противоречий с основами электродинамики тут не было - просто у доменных границ особая симметрия, они ведут себя как объекты с электрической поляризацией. А через несколько лет после этих открытий пришло понимание, что не только электрическое, но и механическое напряжение, если оно неоднородно распределено, как это происходит при изгибе ряда материалов, тоже может воздействовать на доменные границы. Примерно в это время в литературе стал все чаще звучать термин «стрейнтроника», в котором идея «замены» электрического напряжения механическим является основной.
Михаил Степанов и Николай Митетело - экспериментаторы, обнаружившие магнитные домены, зарожденные механическим напряжением. Фото Арсения Бурякова
Параллельно подобные исследования велись в РТУ МИРЭА в группе Елены Дмитриевны Мишиной, работающей на базе кафедры наноэлектроники, возглавляемой академиком Александром Сергеевичем Сиговым. Объединив усилия, мы научились управлять доменными границами и даже создавать новые домены, просто надавив острой иглой на поверхность материала.
– Какую роль в развитии ваших исследований сыграл Российский научный фонд? Открыло ли новые возможности участие в Президентской программе Фонда?
– Наша группа давно и успешно работает с РНФ. При поддержке Фонда мы реализовали много проектов в физике конденсированных сред, наноэлектронике и фотонике. Текущая работа в рамках мероприятия «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными» имеет особое значение. Лаборатория сверхбыстрой динамики ферроиков, где идут эксперименты по гранту РНФ, была создана ранее в рамках мегагранта профессора Алексея Кимеля. Поддержка РНФ позволяет сохранять ее активность на мировом уровне.
Результатом стала реализация весьма амбициозных проектов большой научной значимости, выстроенная на сотрудничестве нескольких научных команд. В наш большой коллектив вошли еще три сильные группы, возглавляемые профессорами Юрием Фетисовым (МИРЭА), Константином Звездиным (МГУ) и Владимиром Преображенским (ИОФ РАН).
Нельзя не отметить, что Российский научный фонд играет ключевую роль в развитии науки в стране. Он создает условия, в которых научные школы могут планировать долгосрочные исследования и спокойно работать, а это бесценно. Очень надеемся, что Фонд будет наращивать активность в продвижении форматов, ориентированных на студенческую и молодежную науку: от конкурсов и выставок до конференций и создания возможностей для профессиональных, в том числе международных, контактов.
– Насколько стрейнтронные устройства совместимы с современной микроэлектроникой?
– На самом деле микроэлектроника уже частично подготовлена к приходу стрейнтронных технологий. С 1990-х годов в ней активно используется strain engineering - деформационная инженерия, которая позволяет модифицировать свойства полупроводников: увеличивать подвижность носителей, менять зонную структуру, уменьшать время жизни носителей в светодиодах.
Но это все - статические эффекты. В стрейнтронике же механические деформации меняются в процессе работы устройства, причем с высокой частотой, вплоть до гигагерцевого диапазона. Это открывает совершенно новые возможности для управления свойствами материалов.
– Какие неожиданные или наглядные физические эффекты в вашей области вас особенно увлекают?
– Один из самых интригующих - то, что двумерные антиферромагнетики ведут себя почти так же, как квадрокоптер в воздухе. Дрон висит неподвижно, потому что моменты вращения его винтов по диагоналям точно компенсируют друг друга. По сути, это «живая» модель элементарной ячейки антиферромагнетика, где две подрешетки полностью гасят намагниченности друг друга.
Но стоит лишь чуть-чуть нарушить этот баланс - квадрокоптер начинает вращаться. В антиферромагнетике происходит почти то же самое: если электрическим или механическим воздействием слегка «расстроить» компенсацию подрешеток, кристалл начинает механически вращаться.
Такая вот неожиданная связь между микро- и макромиром - вращающийся дрон и вращающийся атомный кристалл, фактически двумерный аналог хрестоматийного эффекта Эйнштейна-де Гааза (когда намагничивание приводит к механическому вращению).
Мы вместе с выпускником МГУ Максимом Колюшенковым оценили величину этого эффекта. В тонких упругих пластинках из десятка антиферромагнитных слоев он действительно может проявляться заметно, что открывает неожиданные перспективы для микроэлектромеханических систем (MEMS).
– Какой вы видите стрейнтронику через 5-10 лет?
– Делать прогнозы в электронной отрасли - неблагодарное занятие. Недаром кремниевую электронику сравнивают с экспрессом: она развивается (движется) так стремительно, что лучше не вставать у нее на пути.
Хотя некоторые возможные нишевые применения стрейнтроники видны уже сейчас - в датчиках изгиба и вибраций, гибкой и спиновой электронике.
Двумерные магнитные материалы часто сравнивают с графеном. Если случится прорыв в области внедрения графена в промышленную электронику, думаю, это неизбежно отразится и на перспективах двумерных магнетиков.
В общем, будущее покажет.
Беседовала Надежда Волчкова
Обложка: Александр Пятаков с молодежной частью коллектива проекта. Фото Арсения Бурякова
