Быстрее быстрого: что такое ферримагнитная спин-орбитроника и зачем создают наномедуз

Лаборатория пленочных технологий Дальневосточного федерального университета ведет исследования в области физики магнитных явлений, сосредоточившись на ферримагнитной спин-орбитронике. Этот раздел науки изучает, как спин электронов можно использовать для хранения и передачи информации в ферримагнитных материалах. Более 20 сотрудников разрабатывают сегодня технологии для устройств со сверхбыстрой магнитной памятью. 

Возглавляет лабораторию Александр Давыденко, доцент департамента общей экспериментальной физики Института наукоемких технологий и передовых материалов, кандидат физико-математических наук. Мы обсудили, как ферримагнитные материалы могут изменить представление о памяти устройств, какие вызовы стоят перед исследователями, и как наномедузы могут стать ключом к будущему высоких технологий.

 — Александр, когда Вы поняли, что физика — дело всей жизни?

 — Физикой и математикой я заинтересовался еще в школе. Наш класс был сформирован из лучших учеников параллели, поэтому мы все дополнительно занимались химией, радиотехникой или физикой. Я участвовал в олимпиадах, занимал призовые места. Получать высшее образование решил в Институте физики и информационных технологий Дальневосточного государственного университета. 

На тот момент я размышлял и о выборе карьеры программиста, но на мое решение повлияла встреча с выдающимся ученым Виктором Лифшицем. Он заведовал Институтом автоматики и процессов управления во Владивостоке и убедил меня выбрать Физтех всего одной фразой: «Программируя, вы будете выполнять задания других людей, а если вы станете учеными, то будете сами себе задачи ставить». В 2009 году я окончил вуз, и как раз в это время наш университет выиграл грант на оснащение лабораторий, включая лабораторию пленочных технологий, где я начал исследовать магнетизм. В 2013 году под руководством Людмилы Чеботкевич я защитил диссертацию. 

 — Назовите, пожалуйста, основные направления Ваших исследований?

 — На первом месте, конечно, ферримагнитная спин-орбитроника, далее — электроосаждение, изготовление трехмерных магнитных наноструктур в пористых алюминиевых мембранах из оксида алюминия (Al₂O₃). Так создаются различные нанопроволоки, нанопружины. Еще одно направление — двумерные топологические материалы: дихалькогениды тяжелых металлов, полуметаллы Вейля. Также нас интересует оксидирование слоев, динамика доменных стенок и многое другое.

 — Проект «Ферримагнитная спин-орбитроника» профинансирован за счет средств программы «Мегагранты» нацпроекта «Наука и университеты». Как продвигаются исследования?

 — Мы разрабатывали тему с нуля, до мегагранта в нашей лаборатории ферримагнетиками почти никто не занимался. Благодаря проекту мы смогли приобрести оборудование для изучения высокочастотных свойств магнитных систем, включая генератор сигнала, и измерительные станции для электротехнических характеристик цепей. Кроме того, приобрели установку проекционной фотолитографии. То есть все поставленные по мегагранту задачи мы успешно выполнили. Проект был рассчитан на 3 года, но мы продолжаем исследования, по результатам публикуем научные статьи. Отмечу, что на международных конференциях по магнетизму секция по спин-орбитронике занимает одну из ключевых позиций. В разработках задействовано множество лабораторий, и мы гордимся тем, что являемся одной из них.

 — На каком этапе находятся сейчас Ваши исследования?

 — В настоящее время мы сосредоточены на разработке сред и технологий записи информации. Зная требуемые материалы, условия их осаждения, процесс подготовки подложек, мы создаем магнитные системы с заданными свойствами, включая определённый магнитный момент. Мы управляем магнитным состоянием этих систем с помощью токовых импульсов. На следующем этапе мы планируем изготовление прототипов устройств, что станет еще одним шагом вперед по шкале готовности технологии. Цель на перспективу — разработать прототипы устройств, которые смогут переключать свое магнитное состояние под действием токовых импульсов. Однако, речь идет не об обычных полях Эрстеда, окружающих любой проводник с током. Такой подход в наномасштабе не эффективен.

 — Какие альтернативные подходы Вы рассматриваете для решения этой проблемы?

 — Недавно был открыт эффект передачи углового момента, который позволяет управлять магнитным состоянием через токи, передавая угловой момент от электронов проводимости к электронам в магнитном слое. Это упрощает управление магнитными состояниями слоя записи информации по сравнению с использованием полей Эрстеда нанопроводников. На основе этого эффекта уже созданы устройства магнитной памяти нового поколения, такие как магнитная память с произвольным доступом к данным, которые применяются в аэрокосмонавтике и в условиях с высокой радиацией. Пока цены на эти устройства очень высокие, как следствие, они не конкурируют с традиционными типами памяти, но ситуация может измениться. Развитие спин-орбитроники, создание систем, способных к переносу углового момента от тока с повышенной эффективностью, может дать новый импульс для магнитной памяти, которая рано или поздно вытеснит устаревшие технологии.

 — С какими видами материалов Вы работаете?

 — Спектр достаточно широк, включая ферромагнитные и ферримагнитные материалы для записи информации. В качестве источников спиновых токов для переключения магнитных слоев применяем тяжелые металлы, такие как платина (Pt), вольфрам (W) и тантал (Ta). Недавние исследования показали, что комбинирование тяжелых металлов с дихалькогенидами тяжелых металлов, такими как дисульфид молибдена (MoS₂) и диселенид платины (PtSe₂), усиливает эффект. Для создания магнитных туннельных переходов, позволяющих детектировать направление намагниченности, необходимо выращивать оксиды. Это остается серьезной проблемой, так как идеальные слои окислов сложно получить. Японские исследователи добились значительного прогресса в этой области, и нам предстоит решить эту технологическую задачу для разработки устройств записи информации. Осаждаем и обычные проводники, такие как медь (Cu), алюминий (Al) и золото (Au), для формирования контактов. Это лишь часть материалов, с которыми мы работаем.

 — Расскажите об уникальной разработке Вашей лаборатории — магнитных наномедузах из никеля, предназначенных для создания компактных хранилищ данных.

 — Наши сотрудники начали с изготовления обычных нанопроволок, затем освоили нанопружины диаметром в несколько сотен нанометров, которые растут в определённых электролитах. Позже мы перешли к созданию сложных сегментированных структур, чередуя слои различных материалов для получения сегментированных проволок и пружин. В прошлом году мы достигли значительного успеха, разработав наномедузы. Из тела нанопроволоки c большим диаметром вырастают нанопроволоки с меньшим диаметром. По виду это напоминает медузу, поэтому наноструктуры и получили такое название.

 — В чем преимущества этого открытия?

 — Тонкоплёночная технология востребована и воспроизводима, она позволяет создавать двуслойные пористые шаблоны из оксида алюминия (Al₂O₃) методом анодирования. Такого электрохимического процесса, при котором формируется оксидная пленка на поверхности металла. Магнитные наноструктуры, полученные с помощью этой технологии, обеспечивают запись информации с высокой плотностью и скоростью движения доменных стенок около 1 км/с, что позволит создавать на их основе сверхбыструю магнитную память.

 — Есть вероятность, что технология Вашей лаборатории будет внедрена в промышленность?

 — Для массового производства нужно, чтобы те методы получения наноструктур, которые доступны сейчас нам в лаборатории, были внедрены на заводе и интегрированы в единый технологический цикл. Это сложно организовать, но мировой опыт показывает, что такая возможность определенно существует. Необходимо развивать микроэлектронику и в особенности литографические методы. Основная проблема электронно-лучевой литографии, которую мы используем для изготовления магнитных наноструктур, — малая скорость обработки поверхности. В качестве альтернативы интересно электроосаждение, которое позволяет за один процесс создавать огромное число устройств. Если удастся добиться их корректной работы, это будет значительным шагом в производстве новых магнитных записывающих устройств, но работы здесь еще много. В настоящее время появляются гранты и заказы на исследования от индустриальных партнеров, и мы планируем принимать в них участие. Недавно я посетил форум «Микроэлектроника», где встречался с представителями промышленности в целях практической реализации разработок.

 — Где на практике найдут применение результатам Ваших исследований в области сверхбыстрой магнитной памяти?

 — Наши разработки имеют потенциал для применения в различных сферах, включая компьютеры, вычислительные кластеры, мобильные устройства, суперкомпьютеры, бортовую электронику космических аппаратов, микроконтроллеры и автомобилестроение.

 — Удается ли Вам работать над проектами с коллегами из смежных областей науки?

 — Мы активно сотрудничаем с российскими вузами и научными институтами, реализуя несколько совместных грантов. Наша лаборатория входит в центр коллективного пользования Дальневосточного федерального университета. В числе наших партнеров — Северо-Восточный федеральный университет в Якутске, Балтийский федеральный университет в Калининграде, Уральское отделение РАН, Саратовский государственный университет и другие. Мы также поддерживаем связи с коллегами из других стран, включая ученых из Японии и Китая. С учеными из Даляня и Пекина у нас два совместных гранта Российского научного фонда. Мы взаимодействуем с индийскими исследователями и учеными из других государств. Междисциплинарное сотрудничество ценно тем, что позволяет выходить за рамки узкой специализации. Мы работали с химиками над проектом магнитожёстких материалов для постоянных магнитов, а также с биологами, создавая магнитные частицы для лечения онкологии с помощью магнитной гипертермии. Когда магнитные частицы, доставленные к раковым клеткам, под действием магнитных полей начинают двигаться и разогревать пораженные области, уничтожая их.

 — Как доцент департамента общей экспериментальной физики ДВФУ какие первоочередные задачи вы видите в подготовке будущих ученых?

 — Думаю, что необходимо уделять внимание формированию кадрового резерва молодых преподавателей. Для этого нужны не только сами кадры, но и время, чтобы преподаватели могли качественно подготовить курсы и перенять опыт старших коллег. Если мне вдруг поручат вести фундаментальные курсы по квантовой механике или электродинамике, мне потребуется от полугода до года на подготовку, чтобы уровень преподавания был на высоте. Конечно, наша лаборатория активно участвует в этом процессе, но как физтеховцы мы больше ориентированы на практические дисциплины. Университет — динамичная система, где преподаватели и студенты взаимно обогащают друг друга знаниями. И качество преподавания напрямую влияет на будущее начинающих ученых.

 — Вы сами как молодой ученый участвовали в проекте «Наука рядом», Ваши фотографии и информацию о разработках размещали на баннерах. Что это был за опыт, какие отзывы получили?

 — Подобные проекты — отличная инициатива, особенно в контексте вовлечения молодежи в науку. Безусловно, стремление стать ученым должно исходить из души человека, деньгами в эту сложную профессию не заманишь, хотя и материальные стимулы тоже играют свою роль. Но прежде всего нужно создавать правильный образ ученого: свободного, неординарного, умного и талантливого человека, открытого к новому, у которого интересная и насыщенная жизнь. Думаю, это поможет привлечь больше молодых людей в науку. Современный исследователь — это уверенный и целеустремленный человек, с горящим взглядом, и об этом надо рассказывать.

 — О чем нужно знать молодым ученым, чтобы реализовать свои амбиции в науке?

 — Наша профессия обладает огромным потенциалом. Если вы постоянно занимаетесь исследованиями и не боитесь трудностей, результаты не заставят себя ждать. Магнетизм изучают уже более ста лет, но в этой области все еще много неизведанного, каждый год появляются новые открытия и направления для работы. Всегда важно поддерживать позитивную атмосферу в коллективе и помогать друг другу. А еще рекомендую находить баланс между работой и личной жизнью. Мне после напряженного рабочего дня помогает восстановиться волейбол. Спорт «заряжает» меня энергией, и я, словно перерождаюсь, готов с новыми силами погрузиться в свою интересную исследовательскую работу.

Беседовала Светлана Минеева