НАНОЧАСТИЦЫ ЭКЗОТИЧЕСКОГО ЭПСИЛОН-ОКСИДА ЖЕЛЕЗА (III) КАК РАБОЧАЯ СРЕДА НАНОМАГНИТНЫХ ЛОГИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Предмет исследования. В работе обсуждаются принципы обработки информации наномагнитными логическими устройствами, состоящие в манипулировании намагниченностью отдельных магнитных наночастиц, находящихся в однодоменном состоянии и объединенных в логическую сеть. В однодоменном состоянии наночастицы имеют одноосную магнитную анизотропию, что делает их бистабильной системой, пригодной для двоичного кодирования информации: намагниченности вниз соответствует логический «0», намагниченности вверх – «1».Эти два состояния отделены энергетическим барьером cвысотой, равной энергии магнитной анизотропии. Рассматриваемая логическая сеть подразумевает абсолютно новый способ проведения логических операций. Речь идет о сети наномагнитов, связанных дипольным взаимодействием и допускающих существование промежуточных фрустрированных состояний, аналогичных квантовой запутанности.Методы.Для наномагнитных логических устройств нужны материалы с достаточно большей энергией магнитной анизотропии, чтобы термические флуктуации не приводили к потере ориентации магнитного момента и к потере информации. В качестве таковых предложено использовать новые наномагниты на основе эпсилон-фазы оксида железа ε-Fe₂O₃ с гигантской магнитной анизотропией.Наночастицы изготовлены комбинацией двух методов – синтезом в обратных мицеллах и золь-гель методом. Элементный анализ наночастиц проводился методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (Agilent Technologies, HP 4500). Микрофотографии получены на просвечивающем микроскопе JEOL JEM 2000EXII. Структура наночастицустановлена методом рентгеновской дифракции на приборе Rigaku RINT2100.Исследование магнитных свойств проводили с помощью СКВИД-магнитометра Quantum Design, MPMS 5XL. Основные результаты.Предложен новый способ проведения логических операций, который заключается в манипулировании намагниченностью отдельных наночастиц не только с помощью внешнего магнитного поля, но и с помощью варьирования температуры наночастиц ε-Fe₂O₃ в условиях спин-переориентационного перехода.В наночастицах ε-Fe₂O₃ обнаружено магнитоэлектрическое взаимодействие, открывающее новые пути решения вопроса считывания битного состояния в рассматриваемых устройствах.Созданы экспериментальные условия для выполнения логических операций в упорядоченных массивах наночастиц ε-Fe₂O₃. Практическая значимость. Температурная манипуляция направлением вектора намагниченности открывает новые возможности создания устройств наномагнитной логики и спинтроники в условиях сильной анизотропии, когда магнитные поля, требуемые для переключения направления намагниченности (а значит, изменения битового состояния), становятся неприемлемо большими. Обсуждаемые в работе принципы способны обеспечить бездиссипативную обработку информации в энергетическом пределе, близком к оценкам Ландауэра, где на первый план выходят термодинамические аспекты.

1. Wang J., Meng H., Wanga J.-P. Programmable spintronics logic device based on a magnetic tunnel junction element // Journal of Applied Physics. 2005. V. 97. N 10. P. 10D509. doi: 10.1063/1.1857655
2. Niemier M.T., Bernstein G.H., Csaba G., Dingler A., Hu X.S., Kurtz S., Liu S., Nahas J., Porod W., Siddiq M., Varga E. Nanomagnet logic: progress toward system-level integration // Journal of Physics: Condensed Matter. 2011. V. 23. N 49. P. 493202. doi: 10.1088/0953-8984/23/49/493202
3. Физическая энциклопедия / Под ред. А.М. Прохорова. М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. Т. 1. 704 с.
4. Imre A., Csaba G., Ji L., Orlov A., Bernstein G.H., Porod W. Majority logic gate for magnetic quantum-dot cellular automata // Science. 2006. V. 311. N 5758. P. 205–208. doi: 10.1126/science.1120506
5. Patil Sh., Lyle A., Harms J., Lilja D.J., Wang J.-P. Spintronic logic gates for Spintronic data using magnetic tunnel junctions // Proc. IEEE Int. Conf. on Computer Design. Amsterdam, Netherlands, 2010. P. 125–131. doi: 10.1109/ICCD.2010.5647611
6. Dmitriev A.I., Koplak O.V., Namai A., Tokoro H., Ohkoshi S., Morgunov R.B. Magnetic phase transition in ε-In x Fe2-xO3 nanowire // Physics of the Solid State. 2013. V. 55. N 11. P. 2252–2259. doi: 10.1134/S1063783413110073
7. Dmitriev A.I., Koplak O.V., Namai A., Tokoro H., Ohkoshi S., Morgunov R.B. Spin-reorientation transition in ε-In0.24Fe1.76O3 nanowires // Physics of the Solid State. 2014. V. 56. N 9. P. 1795–1798. doi: 10.1134/S1063783414090091
8. Dmitriev A.I., Tokoro H., Ohkoshi S., Morgunov R.B. Anomalous magnetization dynamics near the spin-reorientation transition temperature in ε-In0.24Fe1.76O3 nanowires // Low Temperature Physics. 2015. V. 41. P. 20–24. doi: 10.1063/1.4906312
9. Dmitriev A.I., Morgunov R.B. The influence of magnetic field and temperature on spin-reorientation transitions in ε-In0.043Fe1.957O3 nanoparticles // Low Temperature Physics. 2015. V. 41. N 11. P. 917–921. doi: 10.1063/1.4936916
10. Dmitriev A.I., Koplak O.V., Namai A., Tokoro H., Ohkoshi S., Morgunov R.B. Easy axis spin-flop in ε-phase in-doped iron (III) oxide nanowire // Solid State Phenomena. 2015. V. 233-234. P. 558–561. doi: 10.4028/www.scientific.net/SSP.233-234.558
11. Ostler T.A., Barker J., Evans R.F.L., Chantrell R.W., Atxitia U., Chubykalo-Fesenko O., El Moussaoui S., Le Guyader L., Mengotti E., Heyderman L.J., Nolting F., Tsukamoto A., Itoh A., Afanasiev D., Ivanov B.A., A. Kalashnikova M., Vahaplar K., Mentink J., Kirilyuk A., Rasing Th., Kimel A.V. Ultrafast heating as a sufficient stimulus for magnetization reversal in a ferrimagnet // Nature Communications. 2012. V. 3. P. 666–1-6. doi: 10.1038/ncomms1666
12. Landauer R. Irreversibility and heat generation in the computing process // IBM Journal of Research and Development. 1961. V. 5. N 3. P. 183–191. doi: 10.1147/rd.53.0183
13. Landauer R. Fundamental physical limitations of the computational process // Annals of the New York Academy of Sciences. 1985. V. 426. N 1. P. 161–170. doi: 10.1111/j.1749-6632.1984.tb16518.x
 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License