Иногда научные открытия можно найти на проторенных дорогах. Это доказало, что материал из сплава кобальт-железо, обычно встречающийся в жестких дисках.
Как сообщалось в недавнем выпуске Physical Review Letters, исследователи из U.S. Аргоннская национальная лаборатория Министерства энергетики (DOE) вместе с Оклендским университетом в Мичигане и Фуданьским университетом в Китае обнаружили удивительный квантовый эффект в этом сплаве.
Эффект включает в себя способность контролировать направление вращения электрона, и он может позволить ученым разрабатывать более мощные и энергоэффективные материалы для хранения информации.
Изменив направление спина электронов в материале, исследователи смогли изменить его магнитное состояние. Этот больший контроль намагничивания позволяет хранить и извлекать больше информации в меньшем пространстве. Более высокий контроль может также привести к дополнительным приложениям, таким как более энергоэффективные электродвигатели, генераторы и магнитные подшипники.
Эффект, обнаруженный исследователями, связан с «затуханием», при котором направление вращения электрона определяет, как материал рассеивает энергию. «Когда вы едете на машине по ровному шоссе без ветра, энергия, рассеиваемая за счет сопротивления ветра, одинакова независимо от того, в каком направлении вы движетесь», – сказал аргоннский материаловед Олле Хейнонен, автор исследования. "Благодаря эффекту, который мы обнаружили, ваша машина испытывает большее сопротивление, если вы путешествуете с севера на юг, чем если вы путешествуете с востока на запад."
«С технической точки зрения мы обнаружили заметный эффект от магнитного демпфирования в наноразмерных слоях сплава кобальт-железо, покрытых с одной стороны подложки из оксида магния», – добавил аргоннский материаловед Аксель Хоффманн, другой автор исследования. "Управляя спином электронов, магнитное затухание определяет скорость рассеивания энергии, контролируя аспекты намагничивания."
Открытие команды оказалось особенно удивительным, потому что сплав кобальта с железом широко использовался в таких приложениях, как магнитные жесткие диски, в течение многих десятилетий, а его свойства были тщательно исследованы.
Было принято считать, что этот материал не имеет предпочтительного направления для электронного спина и, следовательно, намагниченности.
Однако в прошлом ученые готовили сплав для использования, «запекая» его при высокой температуре, что упорядочивает расположение атомов кобальта и железа в регулярной решетке, устраняя эффект направленности.
Команда наблюдала эффект, исследуя необожженные сплавы кобальт-железо, в которых атомы кобальта и железа могут случайным образом занимать позиции друг друга.
Команда также смогла объяснить физику, лежащую в основе. В кристаллической структуре атомы обычно располагаются через совершенно равные промежутки времени в симметричном расположении. В кристаллической структуре некоторых сплавов есть небольшие различия в разделении атомов, которые можно удалить в процессе обжига; эти различия остаются в «необожженном» материале.
Сжатие такого материала на атомном уровне еще больше изменяет разделение атомов, что приводит к различным взаимодействиям между атомными спинами в кристаллической среде. Это различие объясняет, почему демпфирующее влияние на намагниченность велико в одних направлениях и мало в других.
В результате очень небольшие искажения в расположении атомов в кристаллической структуре сплава кобальт-железо имеют огромное значение для демпфирующего эффекта.
Команда провела расчеты в Argonne Leadership Computing Facility, учреждении Управления науки Министерства энергетики США, которые подтвердили их экспериментальные наблюдения.