Kluczem okazały się materiały antyferromagnetyczne, w których spiny elektronów ułożone są przeciwnie, znosząc swoje oddziaływanie na zewnątrz. Od lat uważa się je za kandydatów do stworzenia nowej generacji pamięci i procesorów. Dotychczas jednak nikt nie widział na własne oczy, jak dokładnie w nich zachodzi przełączanie. Badania opublikowane w Nature Materials w grudniu 2025 roku zmieniają tę sytuację, pokazując nie jeden, ale dwa odrębne mechanizmy tego zjawiska. To jak odkrycie, że istnieją dwie zupełnie różne drogi na szczyt tej samej góry.
Jak sfotografować coś szybszego niż błysk światła.
Główną przeszkodą była tu sama natura zjawiska. Naukowcy musieli zmierzyć procesy krótsze niż trwanie impulsu laserowego. Przez lata udoskonalali metodę magneto-optyczną, aby móc śledzić subtelne zmiany w materiale. Jako obiekt badań posłużył im związek manganu i cyny (Mn₃Sn), który od dawna przyciągał uwagę swoimi unikalnymi właściwościami magnetycznymi.
Czytaj także: Spintronika zamiast elektroniki to już nie science fiction. Kalifornijscy naukowcy dokonali niemożliwego
Wynik uzyskany po dopracowaniu techniki był spektakularny. Po raz pierwszy w historii naukowcom udało się zarejestrować, klatka po klatce, ewolucję wzorca magnetycznego w czasie rzeczywistym. Daje to wrażenie, jakby się oglądało superzwolnione nagranie z wyścigu Formuły 1. Wizualizacja wyraźnie ujawniła, że sposób przełączania zależy od natężenia prądu płynącego przez materiał, prowadząc do dwóch różnych ścieżek.
Dwie drogi do tego samego celu. Gorąca i zimna
Pierwszy ze zidentyfikowanych mechanizmów ma charakter termiczny i uaktywnia się pod wpływem silnego prądu. Materiał się wtedy nagrzewa, a energia cieplna wymusza zmianę orientacji spinów. To trochę jak przestawienie przełącznika siłą, używając do tego wysokiej temperatury. Drugi proces okazał się znacznie bardziej interesujący z technologicznego punktu widzenia.
Mechanizm nietermiczny zachodzi przy niskim natężeniu prądu, praktycznie bez nagrzewania struktury materiału. To właśnie on może być kluczem do prawdziwej zmiany. Urządzenia działające w niskich temperaturach są z natury bardziej stabilne, energooszczędne i potencjalnie szybsze. Ten mechanizm stwarza perspektywę dla ultraszybkich, nieulotnych układów pamięci i logiki. Nieulotność oznacza, że informacja nie ginie po odłączeniu zasilania, podobnie jak w pamięciach flash, ale szybkość ich działania miałaby być zupełnie innej skali. Taka technologia mogłaby znaleźć zastosowanie nie tylko w pamięciach, ale i w zaawansowanych systemach obliczeniowych czy komunikacyjnych.
140 pikosekund to może nie być ostateczny limit
Najkrótszy zaobserwowany czas przełączania wyniósł 140 pikosekund. Dla zobrazowania, w tym czasie światło w próżni pokonuje dystans zaledwie około 4 centymetrów. Choć brzmi to niewyobrażalnie, sami naukowcy sugerują, że to prawdopodobnie nie jest ostateczna granica możliwości materiału. Obecne ograniczenie wynika głównie z technicznych możliwości generowania ultrakrótkich impulsów prądowych w użytej konfiguracji eksperymentalnej. Sam związek Mn₃Sn prawdopodobnie jest w stanie przełączać się jeszcze szybciej. Zespół planuje już dalsze prace z jeszcze krótszymi impulsami i zoptymalizowaną strukturą badanych próbek, by sprawdzić, gdzie leży fizyczna granica tego zjawiska.
Czytaj także: Właściwości, o których nie wiedzieliśmy. Eksperci od spintroniki właśnie je ujawnili w nowym materiale
Teoretycy od dawna przypuszczali, że antyferromagnetyki mogą zmieniać swój stan magnetyczny niezwykle szybko. Teraz po raz pierwszy udało się to potwierdzić eksperymentalnie i – co ważniejsze – zobaczyć, jak ten proces dokładnie przebiega. Ma to fundamentalne znaczenie w kontekście rozwoju całej elektroniki. W dobie spowolnienia prawa Moore’a i fizycznych ograniczeń w miniaturyzacji tradycyjnych tranzystorów, spintronika, czyli elektronika wykorzystująca spin elektronu obok jego ładunku, jawi się jako jedna z najbardziej obiecujących dróg naprzód.
Co to wszystko oznacza w praktyce?
Patrząc na te odkrycia, trudno nie odnieść wrażenia, że jesteśmy świadkami czegoś ważnego. Dotychczasowe prace nad spintroniką pełne są obiecujących prototypów, którym trudno było wyjść poza mury instytutów. Sukces zespołu z Tokio polega jednak na czymś innym – na głębokim zrozumieniu podstaw fizycznych. To właśnie takie zrozumienie jest niezbędne, by projektować przyszłe technologie w sposób świadomy, a nie metodą prób i błędów. Otworzyli drzwi do dalszych, bardziej ukierunkowanych badań. Czy za kilkanaście lat będziemy mieli w laptopach pamięci spintroniczne? Być może. Na pewno jednak wiedza zdobyta dzięki takim eksperymentom przybliża nas do momentu, w którym będziemy mogli odpowiedzieć na to pytanie z całą pewnością.