Laser vytváří magnetické krajiny podle míry

Lauren Riddiford, Aleš Hrabec a Jeffrey Brock (zleva doprava) v čistírně Park Innovaare – přímo vedle PSI. Zde vznikají nové magnetické struktury, které jsou pomocí laseru cíleně měněny. © Paul Scherrer Institut PSI / Mahir Dzambegovic

S laserovým světlem ke sněhové vločce: Tato magnetická struktura byla vytvořena na PSI pomocí průmyslového laseru – nikoli pro dekoraci, ale jako ukázka přesné změny materiálu s potenciálem pro ukládání dat, umělou inteligenci a fotoniku. © Paul Scherrer Institut PSI / Aleš Hrabec, Lauren Riddiford, Jeffrey Brock

Výzkumníci z Institutu Paul Scherrer PSI se ve spolupráci s Národním institutem pro standardy a technologie (NIST) v Boulderu, Colorado, poprvé podařilo pomocí stávající laserové techniky kontinuálně měnit magnetické vlastnosti materiálů ve dvou rozměrech. Jednoduchý a rychlý postup by měl umožnit širokou škálu aplikací, včetně nových technik ukládání a zpracování dat.

Někdy lze dosáhnout úžasných výsledků, když se běžné nástroje použijí novým způsobem. Tak tomu bylo i u výzkumníků, kteří v čisté místnosti PSI použili high-tech laserové zařízení pro něco, na co původně nebylo určeno. Toto zařízení bylo původně zakoupeno pro fotolitografii – proces výroby velmi malých 2D struktur. Obvykle laser při tomto procesu osvěcuje fotorezistent s různou intenzitou světla, čímž vytváří různé stupně expozice, nazývané také odstíny šedi. Fotorezistová litografie tak vytváří trojrozměrný reliéf, který je nyní možné přenést na požadovaný materiál. Důležitým využitím této techniky je moderní mikrooptika, například výroba čoček pro chytré telefony.

„Používáme tento nástroj k něčemu jinému, než byl jeho původní účel,“ vysvětluje Aleš Hrabec: „Pomocí něj vytváříme dvourozměrné, kontinuální změny magnetických vlastností v materiálech, které jsou důležité pro širokou škálu aplikací.“ Hrabec je vědec ve skupině pro mesoskopické systémy, kterou vede Laura Heyderman a která je součástí PSI a ETH Zürich. Termín mesoskopické označuje systémy na délkových škálách několika mikrometrů. Pro srovnání: lidský vlas má průměr přibližně 100 mikrometrů, tedy je mnohem větší.

Bláznivý nápad, který funguje

Chcete-li změnit vlastnosti magnetického materiálu, můžete jej například zahřát v peci. To však změní celý vzorek. Výzkumníci z PSI při hledání metody pro lokální změny přišli s nápadem vložit tenký film magnetického materiálu bez fotorezistu do stávajícího litografického zařízení. „To byla bláznivá myšlenka, proto jsem byl velmi překvapen, že to fungovalo hned na první pokus,“ říká Lauren Riddiford, postdoktorand ve skupině mesoskopických systémů: „Když jsme se podívali na magnetický kontrast pod speciálním mikroskopem, okamžitě jsme viděli kontinuální změny magnetických vlastností.“

Laser v podstatě funguje jako pec, avšak jeho účinek přesně mění magnetické vlastnosti. Laser skenuje povrch vzorku a moduluje intenzitu světla podle potřeby. Tím se zahřívají velmi malé oblasti, o velikosti pouhých 150 nanometrů. Tento postup se nazývá „Direct-Write Laser Annealing“, zkráceně DWLA, což lze přeložit jako přímé psaní laserovým zářením. Díky cílenému zahřívání může materiál lokálně měnit své vlastnosti – oxidovat, krystalizovat nebo slévat dva kovy dohromady. Tím lze měnit sílu nebo směrovou závislost magnetizace a ovlivnit interakci na rozhraní mezi dvěma materiály.

Tento lokální, graduální přístup umožňuje vytvářet jedinečné gradienty magnetických vlastností, které mohou nabývat libovolných tvarů podle přání. Dosud bylo možné vyrábět pouze boční, jednorozměrné gradienty těchto vlastností. Nyní jsou možné kruhy, spirály nebo ještě složitější útvary, jak ukazuje Riddiford na videu, které zobrazuje vznik magnetické struktury ve tvaru sněhové vločky. „Když na upravený vzorek přiložíme pole, nejprve se změní směr magnetizace v centru z směru vzhůru na dolů. Pokud pole zesílí, tento přepínací proces se rozšíří radiálně,“ vysvětluje vědkyně. V oblastech kolem sněhové vločky bylo materiál laserem dostatečně silně zahřáto, aby již nebyl magnetický.

Rychlejší, efektivnější a bezpečnější

Cílem výzkumníků však nejsou pouze hezké obrázky, ale konkrétní aplikace například v technologii ukládání dat. Malé magnety se již dlouho používají k zabezpečení dat na pevných discích počítačů. Podle směru pole magnetu lze určit, zda je to jednička nebo nula, tedy hodnota bitu. Nad rotujícím pevným diskem je cívka, která pomocí magnetického pole čte a zapisuje informace. „Naší technikou chceme zjistit, které magnetické materiály a vlastnosti jsou nejlepší pro výrobu úložišť bez pohyblivých částí, které by nevyžadovaly použití magnetických polí,“ říká Jeffrey Brock, také postdoktorand ve skupině mesoskopických systémů.

Vzhledem k kontinuálním změnám magnetických vlastností v uložišti není třeba magnetické pole k změně magnetizace bitů. Data lze zapisovat a číst pomocí elektrického proudu. Takové paměťové prvky již existují. „Věříme však, že náš přístup k lokální změně vlastností materiálů je mnohem jednodušší a rychlejší než současné technologie pro tvorbu takových vzorů,“ říká Brock. Paměťové prvky ovládané proudem jsou rychlejší a umožňují ukládání většího množství dat na menší ploše. Výzkumníci to chtějí také aplikovat na speciální třídu materiálů, tzv. syntetické antiferomagnety. To by činilo ukládání dat trvalejším a bezpečnějším, protože tento materiál je imunní vůči vnějšímu magnetickému poli.

Výpočty a ukládání na stejném čipu

Další možnou aplikací je takzvané in-memory výpočty – zpracování i ukládání dat probíhá na jednom čipu. V dnešních elektronických zařízeních se data neustále přenášejí mezi rychlým procesorem a mnohem pomalejší pamětí, což spotřebovává hodně času i energie. Použití jediného čipu by výrazně urychlilo přístup k datům.

Už před čtyřmi lety se výzkumná spolupráce PSI a ETH Zürich poprvé podařilo provést logické operace v magnetickém materiálu, ve kterém lze zároveň ukládat data – což je i patentováno. Dosud používaný materiál však není vhodný pro dnešní běžné výrobní procesy v průmyslu čipů. „Doufáme, že pomocí laserové techniky budeme schopni vyrobit magnetický materiál kompatibilní s těmito standardními procesy,“ říká Hrabec.

Další novou oblastí výzkumu je takzvané neuromorfní počítání – způsob zpracování dat inspirovaný mozkem a sítí nervových buněk, tedy neuronů. Malé magnety by mohly vzájemně interagovat v různých konfiguracích podobně jako neurony ve své síti. „Mozek také není složen pouze z jednoduchého materiálu,“ říká Hrabec: „Proto nelze použít například pouze tenkou vrstvu jednoho magnetického materiálu, jako je kobalt, ale je třeba něčeho složitějšího.“ Ideální úkol pro novou laserovou techniku, která umožňuje vytvářet libovolné magnetické krajiny.

Hrabec je přesvědčen, že práce týmu ještě odhalí mnoho dalších aplikací, například v oblasti senzoringu nebo fotoniky, kde se světlo používá k přenosu informací. Díky laserovému zahřívání a krystalizaci v materiálu lze měnit index lomu a tím i optické vlastnosti materiálu. Velkou výhodou laserového záření je, že použitá zařízení jsou komerční a již jsou dostupná v mnoha laboratořích po celém světě. Nevyžadují vakuum ani jiné speciální podmínky. Díky tomu lze během několika sekund dosáhnout výsledků, na které by v peci bylo potřeba hodiny. „Hlavní výhodou této techniky je, že je levná, rychlá a snadno dostupná,“ shrnuje Hrabec.