Előfizetés a lapra

A mágneses sündisznóké a jövő?

A hét kutatója, fizika, interjú, mágnesesség, OTKA, skyrmion

2016/09/21

Korunk egyik nagy kihívása, hogy a szinte exponenciálisan növekvő digitális adatmennyiséget hogyan lehet minél kisebb helyen, olcsón és megbízhatóan tárolni. A megoldást az úgynevezett mágneses skyrmionok jelenthetik. Ezek új típusát fedezték fel nemrégiben a BME Fizika Tanszékének munkatársai. Köztük van a Bolyai Ösztöndíjas fizikus, Bordács Sándor, vele beszélgettünk erről az ígéretes lehetőségről. A kutatást az OTKA is támogatta.

– A tudománynak számtalan érdekes ága van. Hogyan és miért választotta ezek közül az elvontnak tűnő szilárdtestfizikát?

– Mindig is természettudományos kutatással szerettem volna foglalkozni. Általános iskolásként még a biológiához vonzódtam, amely azon a szinten a minket körülvevő és könnyen megérinthető természet leírását adta. A fizikában az tetszett meg, hogy egyszerű modellekkel, egyszerű elvek segítségével nagyon bonyolult dolgokról lehet beszélgetni. Nagy hatással volt rám a kémia is. Bár akkor még nem tudtam, hogy ezek határterülete a szilárdtestfizika, amely a szilárdanyagok mechanikai, hőtani, optikai, elektromos stb. tulajdonságait próbálja megérteni. Nagy élmény volt számomra, hogy amit könyvekben olvastam például arról, hogy így vagy úgy játszódtak le a természeti folyamatok, azt a laborban vagy kint a természetben is megtapasztaltam. A gimnázium után a BME-re jelentkeztem, mert azt gondoltam, hogy ott gyakorlatias az oktatás. Itt a szilárdtestfizika tanítása és kutatása nagyon erős, így természetes volt, hogy közel kerülök ehhez a területhez.

– Itt került a mágnesesség vonzásába?

– A TDK és a diplomamunkám kapcsán Mihály György laboratóriumában Kézsmárki Istvánnal a spintronikához kapcsolódó kutatásokkal foglalkoztunk. A mai számítógépek processzorában az elektronok töltése hordozza az információt: a van áram/nincs áram képviseli a 0-át és az 1-et. A spintronikában az elektronok spinje hordozza az információt. A spint úgy lehet elképzelni, mint egy picike mágneses iránytűt, amely ugyanúgy az elektron tulajdonsága, mint a töltése. Mostanában multiferroikus anyagokkal foglalkozom, illetve újabban a skyrmionokkal. Ezekkel a témákkal Japánban találkoztam a doktorim alatt, illetve az azt követő 2-3 évben, amit a Tokiói Egyetemen töltöttem.

Az elektronspinek térbeli elrendezése sündisznó, avagy Néel-típusú skyrmionokban

– Mik azok a skyrmionok?

– A skyrmionokat Tony Skyrme angol elméletifizikus vezette be, hogy segítségükkel megmagyarázza a részecskék stabilitását. Ezt a koncepciót vették át szilárdtestfizikusok, amikor mágneses rendszerekben néhányszor 10 nanométeres részecskeszerű mintázatot fedeztek fel. A skyrmionok középpontjában a spinek mintha csomót alkotnának, és így nagyon stabilak a kristályhibákkal vagy a hőmozgással ellentétben. A spinek a skyrmion magja körül örvénylenek, és az örvénymintázat tovaterjedhet az anyagban, hasonlóan, mint a víz örvénylése a medencében. A skyrmionok további érdekessége, hogy elektromos és mágneses térrel terelgethetők, manipulálhatók. A szakemberek azt várják, hogy segítségükkel az adattárolásban újabb miniatürizálási lépést lehet tenni, mivel sokkal sűrűbben lehet egymás mellé pakolni őket, nagyon stabilak, így memóriákat lehetne készíteni belőlük.

Az elektronspinek térbeli elrendezése mágneses cikloisban

– Saját, nemzetközi szinten is fontos felfedezéseik is vannak ezen a területen.

– Figyelmesek lettünk a spintronikában ígéretes mul­ti­fer­roikus anyagok tanulmányozása közben egy új vegyületre, melynek a mágnesezettségi görbéje szokatlan platókat mutatott. Ezt a kristályt mágneses atomierő-mikroszkópiával kezdtük vizsgálni. Ennél egy tűt nagyon közel húzunk el a minta felülete felett, és a tű érzi, mekkora erő ébred közte és a felszín között. Amikor barázdák fölé ér, változik az erő, így lehetett megismerni a felszín topográfiáját. Mi hasonló eszközt használtunk, de a tű ferromágneses volt. Ahogy végighúztuk a minta fölött, a mágnesezettség változásait is meg tudtuk mérni. Ez a kísérlet volt az, ami először mutatta, hogy az anyag felületén különböző modulált struktúrák jelennek meg. Ezek közül a legegyszerűbb a mágneses ciklois, ami azt jelenti, hogy a spinek mint klasszikus nyilacskák hegyei, ciklois mintázatot írnak le a térben, ahogy rácshelyről rácshelyre haladunk. Amikor a ciklois fázisból eljutottunk a skyrmion fázisba, azt láttuk, hogy mágneses csomók jelentek meg a minta felszínén, amelyekről a későbbi vizsgálatok kiderítették, hogy valóban skyrmionok. A korábban felfedezett skyrmionok örvényszerű mintázatával ellentétben az új skyrmionokban egy sündisznóra hasonlít a spinek mintázata a középpont körül. Házon belül el is neveztük őket mágneses sündisznóknak.

Néel-típusú skyrmionok mágneses atomierő-mikroszkópos felvételen

A két különböző skyrmion közül az örvénylőt Bloch-skyrmionnak hívják, a sündisznót pedig Néel-típusú skyrmionnak. Ezeket valószínűleg másmilyen elektromos és mágneses impulzusokkal lehet mozgatni. Jelenleg azon dolgozunk, hogy megértsük, hogyan változik az elektronok spinje, és hogyan torzulnak az elektronok töltésfelhői, mert ez jó lehetőséget nyitna arra, hogy elektromos tér segítségével forgassuk a skyrmionokat és kiolvassuk belőlük az információt.

– Az önök munkája hol tart ezen a téren?

– Mi a skyrmionok családját szeretnénk bővíteni. Olyan mintázatokat, csomókat keresünk, amelyek közvetlenebb hozzáférést engednek a bennük tárolt információhoz. Az, hogy egy új típusú skyrmiont találtunk, nagy érdeklődést váltott ki, mert új lehetőséget, új irányt jelent a kutatásukban. Jelenleg olyan anyagokat vizsgálunk, amelyek mágnesesek, megfelelő kristálystruktúrával rendelkeznek, és elég lágy mágneses anyagok ahhoz, hogy kialakíthassák az említett mintázatokat. Vannak arra is próbálkozások, hogy mesterségesen hozzunk létre skyrmionokat. Különböző fémrétegeket egymásra párologtatunk és mivel a rétegek között nem lesz tükrözési szimmetria, ez egy csavarodást fog belekódolni a rendszerbe. Az ilyen vé­kony­rétegek alkalmasak lehetnek arra is, hogy az iparban felhasználják őket, valódi memóriaelemeket építsenek belőlük, de ma még kevés kísérleti eredmény áll rendelkezésünkre, mert nehéz vizsgálni ezeket a struktúrákat. Engem mint kutatót az is érdekel, hogyan működnek ezek a rendszerek. Megpróbáljuk részletekbe menően leírni, hogyan formálódnak a skyrmionok, milyen állapotuk lehetséges még, illetve hogyan lehet elektromos, mágneses térrel vagy elektromágneses impulzusokkal mozgatni őket.

– Mi hiányzik ahhoz, hogy valóban a skyrmionoké legyen a jövő?

– Valóban nagyon jó megoldás lenne, hiszen a ferromágneses doménfalakhoz képest jóval kisebb áramsűrűség is elég a  mozgatásukhoz. Az, hogy ilyen bonyolult mintázat alakul ki, azt is jelenti, hogy nem lehet a csomót olyan könnyen „kibogozni”, tehát nem olyan könnyen esnek szét ezek a struktúrák. Stabilak maradnak, ezért lesznek képesek hosszú időn keresztül megőrizni a rájuk írt információkat.

 Az IBM egyik kutatója publikációjában leírt egy új típusú memóriát, amit „versenypálya” memóriának (racetrack memory) nevezett el. Ebben úgy tárolnák az információt, mintha egy futószalagon lennének a bitek és a szállítószalagot mozgatjuk ide-oda az olvasófej alatt. Egy mágneses csíkba beleírnák ezeket a skyrmionokat, és ahogyan azt már kutatólaborokban demonstrálták, áram segítségével ide-oda lehet mozgatni a skyrmionokat a futószalagon.

 Ugyanakkor számos nagy kérdőjel van még ezen a területen. Jelenleg is kutatják, hogyan lehet létrehozni skyrmiont, mivel az említett stabilitás miatt nem egyszerű kelteni őket. Az is kérdés hogyan lehet majd kiolvasni belőlük az információt. Tehát még az alapkutatási szakaszban vagyunk, de azt már sikerült demonstrálni, hogy a dolog működhet.

 TRUPKA ZOLTÁN

 

2016/32