Laser odwzorowuje krajobrazy magnetyczne na miarę

Lauren Riddiford, Aleš Hrabec i Jeffrey Brock (od lewej do prawej) w czystym pomieszczeniu w Park Innovaare – bezpośrednio obok PSI. To tutaj tworzone są nowatorskie struktury magnetyczne, które są precyzyjnie modyfikowane za pomocą technologii laserowej. © Paul Scherrer Institute PSI / Mahir Dzambegovic

Z promieniem laserowym do płatka śniegu: Ta magnetyczna struktura została stworzona w PSI za pomocą lasera przemysłowego – nie do celów dekoracyjnych, lecz jako demonstracja precyzyjnej zmiany materiału z potencjałem na przechowywanie danych, sztuczną inteligencję i fotonikę. © Paul Scherrer Institut PSI / Aleš Hrabec, Lauren Riddiford, Jeffrey Brock

Badacze z Instytutu Paula Scherera PSI we współpracy z Narodowym Instytutem Standaryzacji i Technologii (NIST) w Boulder, Kolorado, po raz pierwszy udało się, korzystając z istniejącej technologii laserowej, ciągłe zmieniać właściwości magnetyczne materiałów w dwóch wymiarach. Prosty i szybki proces ma umożliwić szeroki zakres zastosowań, w tym nowe techniki przechowywania i przetwarzania danych.

Czasami można osiągnąć zdumiewające rezultaty, gdy tradycyjne narzędzia wykorzystuje się w nowy sposób. Tak było również z badaczami, którzy użyli zaawansowanego lasera w czystym pomieszczeniu PSI do czegoś, do czego nie był przeznaczony. Pierwotnie został on zakupiony do fotolitografii – metody produkcji drobnych struktur 2D. Zazwyczaj laser oświetla fotolak w różnej intensywności światła, tworząc różne poziomy naświetlenia, zwane również odcieniami szarości. Fotolitografia w odcieniach szarości tworzy trójwymiarowy relief, który można przenieść na wybrany materiał. Jednym z ważnych zastosowań tej techniki jest nowoczesna mikrooptyka, na przykład produkcja soczewek do smartfonów.

„Używamy tego narzędzia do czegoś innego niż jego pierwotny cel”, wyjaśnia Aleš Hrabec: „Tworzymy za jego pomocą dwuwymiarowe, ciągłe zmiany właściwości magnetycznych w materiałach, które są ważne dla różnych zastosowań.” Hrabec jest naukowcem w grupie badawczej Systemy Mezoskopiczne, kierowanej przez Laurę Heyderman, należącej do PSI i ETH Zürich. Termin „mezoskopiczne” odnosi się do systemów o długości kilku mikrometrów. Dla porównania: ludzze włosy mają średnicę około 100 mikrometrów, są więc wielokrotnie większe.

Szalone pomysły, które działają

Chcąc zmienić właściwości materiału magnetycznego, można go na przykład podgrzać w piekarniku. Jednak w ten sposób zmienia się cała próbka. Poszukując metody do lokalnych zmian, badacze z PSI wpadli na pomysł, by włożyć cienki film magnetycznego materiału bez fotolaków do istniejącego urządzenia do litografii. „To był szalony pomysł, dlatego byłem bardzo zaskoczony, że od razu zadziałało”, opowiada Lauren Riddiford, doktorantka w grupie Systemy Mezoskopiczne: „Kiedy spojrzeliśmy pod specjalnym mikroskopem na kontrast magnetyczny, od razu zobaczyliśmy ciągłe zmiany właściwości magnetycznych.”

Laser w zasadzie działa jak piekarnik, ale jego efekt precyzyjnie zmienia właściwości magnetyczne w punktach. Laser skanuje powierzchnię próbki, modulując jej intensywność światła według potrzeb. W ten sposób bardzo małe obszary, o wielkości zaledwie 150 nanometrów, są podgrzewane. Proces ten nazywa się „Direct-Write Laser Annealing”, w skrócie DWLA, czyli „bezpośrednie pisanie laserowe”. Dzięki celowemu podgrzewaniu materiał może ulegać lokalnym zmianom – utleniać się, krystalizować lub tworzyć stop metali. W ten sposób można zmieniać wytrzymałość lub kierunkową zależność namagnesowania, a także wpływać na oddziaływania na granicy między dwoma materiałami.

Takie lokalne, stopniowe podejście pozwala na unikalne tworzenie gradientów właściwości magnetycznych, które mogą przybierać dowolne kształty. Dotychczas można było jedynie tworzyć boczne, jednowymiarowe gradienty tych właściwości. Teraz możliwe są koła, spirale czy jeszcze bardziej skomplikowane formy, jak demonstruje Riddiford na filmie pokazującym powstawanie struktury magnetycznej w kształcie śnieżynki. „Gdy przykładamy pole do poddanej obróbce próbki, najpierw magnetyzacja w centrum zmienia kierunek z góry na dół. Gdy pole się zwiększa, ta zmiana rozchodzi się promieniście”, wyjaśnia badaczka. W obszarach wokół śnieżynki materiał został wystarczająco mocno podgrzany laserem, by przestał być magnetyczny.

Szybciej, wydajniej i bezpieczniej

Celem badaczy są jednak nie tylko estetyczne obrazy, ale konkretne zastosowania, na przykład w technologii przechowywania danych. Małe magnesy od dawna służą do zabezpieczania danych na dyskach twardych komputerów. W zależności od kierunku, w którym wskazuje biegun magnesu, odpowiada to jedynce lub zeru, czyli wartości bitu. Nad obracającym się dyskiem znajduje się cewka, która odczytuje i zapisuje informacje za pomocą pola magnetycznego. „Naszą techniką chcemy ustalić, które materiały i właściwości magnetyczne najlepiej nadają się do produkcji pamięci bez ruchomych części, nie wymagających pola magnetycznego”, mówi Jeffrey Brock, również doktorant w grupie Systemy Mezoskopiczne.

Dzięki ciągłym zmianom właściwości magnetycznych w nośniku danych nie potrzeba pola magnetycznego do zmiany magnetyzacji bitów. Można użyć prądu elektrycznego do zapisu i odczytu informacji. Takie elementy pamięci już istnieją. „Uważamy jednak, że nasze podejście do lokalnych zmian właściwości materiałów jest znacznie prostsze i szybsze niż obecnie stosowane technologie tworzenia takich wzorów”, mówi Brock. Pamięci sterowane prądem są szybsze i pozwalają na przechowywanie większej ilości danych na mniejszej powierzchni. Badacze chcą to rozwiązanie zastosować również do specjalnej klasy materiałów, tzw. syntetycznych antyferromagnetyków. Dzięki temu przechowywanie danych byłoby trwalsze i bezpieczniejsze, ponieważ ten materiał jest odporny na zewnętrzne pole magnetyczne.

Obliczanie i przechowywanie na tym samym chipie

Kolejnym potencjalnym zastosowaniem jest tzw. obliczenia w pamięci – przetwarzanie i przechowywanie danych odbywa się na jednym chipie. W dzisiejszych urządzeniach elektronicznych dane są nieustannie przesyłane między szybkim procesorem a wolniejszą pamięcią, co zajmuje dużo czasu i energii. Użycie jednego układu znacznie przyspieszyłoby dostęp do danych.

Już cztery lata temu grupa badawcza z PSI i ETH Zürich po raz pierwszy przeprowadziła operacje logiczne w materiale magnetycznym, w którym jednocześnie można przechowywać dane – wynalazek, który został również opatentowany. Jednak używany dotąd materiał nie jest kompatybilny z powszechnie stosowanymi procesami produkcyjnymi w branży chipów. „Mamy nadzieję, że za pomocą laserowej technologii uda nam się wyprodukować materiał magnetyczny zgodny z tymi standardami”, mówi Hrabec.

Innym nowym obszarem badawczym jest tzw. obliczenia neuromorficzne – rodzaj przetwarzania danych inspirowany mózgiem i siecią komórek nerwowych, czyli neuronami. W tym celu małe magnesy mogą wchodzić ze sobą w interakcje w różnych konfiguracjach, podobnie jak neurony w sieci. „Mózg nie składa się z prostego materiału”, mówi Hrabec: „Dlatego do tego celu nie wystarczy cienka warstwa pojedynczego materiału magnetycznego, takiego jak kobalt, lecz potrzebne jest coś bardziej złożonego.” To idealne zastosowanie nowej technologii laserowej, która pozwala na tworzenie dowolnych krajobrazów magnetycznych.

Hrabec jest przekonany, że prace zespołu badawczego otworzą jeszcze wiele innych zastosowań, na przykład w dziedzinie sensorów czy optyki, gdzie światło jest wykorzystywane do przesyłania informacji. Dzięki laserowemu podgrzewaniu i krystalizacji w materiale można zmienić współczynnik załamania światła, a tym samym właściwości optyczne materiału. Wielką zaletą lasera jest to, że używane urządzenie jest komercyjnym sprzętem, który jest dostępny w wielu laboratoriach na całym świecie. Nie wymaga do tego próżni ani innych specjalnych warunków. Można w ten sposób osiągnąć w sekundach to, co w piecu zajmuje godziny. „Główną siłą tej techniki jest jej niskie koszty, szybkość i dostępność”, podsumowuje Hrabec.