A lézer mágneses tájakat másol méretben

Lauren Riddiford, AleÅ¡ Hrabec és Jeffrey Brock (balról jobbra) a Park Innovaare tisztatérjében – közvetlenül a PSI mellett. Itt készülnek az újszerű mágneses struktúrák, amelyeket lézerrel célzottan módosítanak. © Paul Scherrer Institut PSI / Mahir Dzambegovic

A lézerfénnyel a hópehely felé: Ez a mágneses szerkezetet az PSI-ben egy ipari lézerrel hozták létre – nem díszítésre, hanem a pontos anyagváltoztatás demonstrációjára, melynek potenciálja van adattárolásban, MI-ben és fotonikában. © Paul Scherrer Institut PSI / Aleš Hrabec, Lauren Riddiford, Jeffrey Brock

A Paul Scherrer Intézet PSI kutatóinak sikerült először, a Boulderben, Colorado-ban található Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézettel (NIST) együttműködve, meglévő lézertechnológiával folyamatosan változtatni az anyagok mágneses tulajdonságait két dimenzióban. Az egyszerű és gyors eljárás számos alkalmazást tesz lehetővé, többek között új technikákat az adatok tárolására és feldolgozására.

Előfordul, hogy csodákra képesek, ha hagyományos eszközöket új módon használnak. Így volt ez a kutatókkal is, amikor a PSI tisztatéri lézeres berendezését olyan célra alkalmazták, amire eredetileg nem tervezték. Ezt eredetileg fotolitográfiára vásárolták – egy eljárás, amellyel apró 2D-struktúrákat lehet létrehozni. Általában a lézer megvilágít egy fotorezisztens anyagot különböző fényintenzitással, így különböző expozíciós szinteket, azaz szürkeárnyalatokat hozva létre. A szürkeárnyalatos litográfia háromdimenziós reliefet képez, amelyet ezután át lehet vinni a kívánt anyagra. Ennek a technikának egyik fontos alkalmazási területe a modern mikrooptika, például okostelefonok lencséinek gyártása.

„Ezt az eszközt valami másra használjuk, mint az eredeti célját”, magyarázza Aleš Hrabec: „Két dimenziós, folyamatos változásokat hozunk létre a mágneses tulajdonságokban olyan anyagokban, amelyek számos alkalmazás szempontjából fontosak.” Hrabec a Mesoszkópikus Rendszerek kutatócsoport tagja, amelyet Laura Heyderman vezet, és a PSI-hez, valamint a Zürichi ETH-hez tartozik. A kutatók mesoszkópikus rendszerekről beszélnek, amelyek néhány mikrométeres hosszúságtartományban mozognak. Hogy összehasonlítsuk: egy emberi hajszál kb. 100 mikrométer átmérőjű, tehát sokszor nagyobb.

Őrült ötlet, ami működik

Ha meg akarjuk változtatni egy mágneses anyag tulajdonságait, például egy kemencében melegítjük. Ez azonban az egész mintát megváltoztatja. A kutatók egy olyan módszer keresése közben, amely helyileg korlátozott változásokat tesz lehetővé, arra az ötletre jutottak, hogy egy vékony mágneses anyagfilm nélküli fotoreziszt nélkül kerüljenek a meglévő litográfiai berendezésbe. „Ez egy őrült ötlet volt, ezért nagyon meglepett, hogy az első próbálkozásra működött”, meséli Lauren Riddiford, a Mesoszkópikus Rendszerek posztdoktori kutatója: „Amikor a speciális mikroszkóppal megvizsgáltuk a mágneses kontrasztot, azonnal láttuk a mágneses tulajdonságok folyamatos változását.”

Ebben az esetben a lézer alapvetően úgy működik, mint egy kemence, azonban hatása pontszerűen változtatja meg a mágneses tulajdonságokat. A lézerrel a felületet szkenneljük, miközben a fényintenzitást a kívánt módon moduláljuk. Így nagyon kicsi, mindössze 150 nanométeres területeket hevítünk. Az eljárást „Direkt Írás Lézeres Annelálásnak” (Direct-Write Laser Annealing, DWLA) nevezik, ami kb. annyit tesz, hogy közvetlenül írjuk a lézglövet. A célzott hevítéssel helyileg változtatható az anyag – oxidálódhat, kristályosodhat, vagy két fém ötvöződik. Ezáltal megváltoztatható a mágnesesség erőssége vagy irányfüggő tulajdonságai, valamint befolyásolható a két anyag közötti határfelületi kölcsönhatás.

Ez a helyi, fokozatos eljárás egyedülálló módon képes olyan mágneses tulajdonság-gradienseket létrehozni, amelyek a kívánt alakban bármilyen formát öltenek. Eddig csak oldalirányú, egydimenziós gradienseket lehetett gyártani ilyen anyagtulajdonságokban. Most már körök, spirálok vagy akár összetettebb alakzatok is lehetségesek, amint Riddiford egy videón bemutatja, amely egy hópehely alakú mágneses struktúra kialakulását mutatja. „Ha egy mezőt alkalmazunk a megmunkált mintára, először a központ mágneses iránya változik meg, azaz az irány felfelé vagy lefelé. Ha az erősség növekszik, ez a váltás sugárirányban terjed ki”, magyarázza a kutató. A hópehely körüli területeken a anyagot a lézer elég erősen hevítette, hogy már ne legyen mágneses.

Gyorsabb, hatékonyabb és biztonságosabb

A kutatók célja azonban nem csupán szép képek készítése, hanem konkrét alkalmazások, például az adattárolási technológiában. A kis mágneseket már régóta használják adatok rögzítésére számítógépes merevlemezeken. Attól függően, hogy a mágnes északi vagy déli pólusa melyik irányba mutat, az egy vagy nulla értéket jelent, azaz egy bitet. A forgó merevlemezek fölött egy tekercs található, amely mágneses mező segítségével olvas és ír adatokat. „Technikánkkal szeretnénk kideríteni, mely mágneses anyagok és tulajdonságok a legalkalmasabbak olyan tárolók gyártására, amelyeknek nincsenek mozgó alkatrészeik, és nem igényelnek mágneses mezőket”, mondja Jeffrey Brock, szintén posztdoktori kutató a Mesoszkópikus Rendszerek csoportban.

A mágneses tulajdonságok folyamatos változása a tároló közegben nem igényel mágneses mezőt a bitmágneses irány megváltoztatásához. Elektromos árammal írhatjuk és olvashatjuk az adatokat. Már léteznek ilyen tárolóegységek. „Úgy gondoljuk, hogy módszerünk sokkal egyszerűbb és gyorsabb, mint a jelenleg alkalmazott technológiák az ilyen mintázatok létrehozására”, mondja Brock. Az elektromos árammal működő tárolók gyorsabbak, és több adatot lehet elhelyezni kevesebb helyen. A kutatók ezt egy különleges anyagcsoporton, a szintetikus antiferromágneseken is szeretnék alkalmazni. Ezáltal az adatok tárolása tartósabb és biztonságosabb lenne, mivel ez az anyag immunis a külső mágneses mezőkre.

Számítás és tárolás ugyanazon a chipen

Egy másik lehetséges alkalmazás az ún. In-Memory Computing – az adatok feldolgozása és tárolása ugyanazon a chipen történik. A mai elektronikus eszközökben az adatok folyamatosan mozognak a gyors processzor és a sokkal lassabb tárolóegység között, ami sok időt és energiát igényel. Egyetlen chip használatával a hozzáférés rendkívül felgyorsítható.

Négy évvel ezelőtt a PSI és a Zürichi ETH kutatócsoportja elsőként végzett logikai műveleteket egy mágneses anyagon, amelyben az adatok egyidejűleg tárolhatók – ez a találmány szintén szabadalom alatt áll. Az eddig használt anyag azonban nem alkalmas a chipgyártás mai folyamatainak. „Reméljük, lézertechnológiánkkal olyan mágneses anyagot tudunk gyártani, amely kompatibilis ezekkel a szabványos gyártási folyamatokkal”, mondja Hrabec.

Egy másik új kutatási terület a neuromorf számítás – egy olyan adatfeldolgozási módszer, amely az agy és az idegsejthálózat, azaz a neuronok működését veszi alapul. Ebben például apró mágnesek különböző konfigurációkban kölcsönhatásba lépnek, mint az idegsejtek a hálózatukban. „Az agy sem egyszerű anyagból áll”, mondja Hrabec: „Ezért nem elég csupán egy vékony réteget alkalmazni egyetlen mágneses anyagból, például kobaltból, hanem valami összetettebbre van szükség.” Ez ideális feladat az új lézertechnológia számára, amellyel bármilyen mágneses táj létrehozható.

Hrabec úgy véli, hogy a kutatócsoport munkája még sok más alkalmazási lehetőséget is feltár majd, például a szenzorika vagy a fotonika területén, ahol a fényt az információátvitelre használják. A lézerrel történő hevítés és kristályosítás révén megváltoztatható egy anyag törésmutatója és optikai tulajdonságai. A lézeres technológia nagy előnye, hogy az alkalmazott berendezés egy kereskedelmi forgalomban lévő eszköz, amely már sok laboratóriumban megtalálható világszerte. Ehhez nincs szükség vákuumra vagy más speciális körülményekre. Ezáltal másodpercek alatt elérhető az, ami órák alatt készülne egy kemencében. „Ennek a technikának az egyik legnagyobb erőssége, hogy olcsó, gyors és könnyen elérhető”, összegzi Hrabec.