Zespół badaczy pod kierunkiem prof. Andrzeja Maziewskiego z Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Białymstoku znalazł się wśród laureatów konkursu organizowanego przez sieć M-ERA.NET 3. Fizycy, wspólnie z partnerami z Hiszpanii i Turcji, będą realizować projekt „Materiały do ultrawydajnej chiralnej spintroniki” (ang. Materials for Ultraefficient Chiral SpinTronics – MUST). Głównym celem badań jest poszukiwanie nowych materiałów magnetycznych, które mogłyby znaleźć zastosowanie w technologiach informacyjnych. 

Jak wyjaśnia prof. Maziewski, nieustanny rozwój branży IT stawia nowe wymagania w zakresie przesyłu, odczytu i zapisu danych. Najistotniejszymi parametrami są szybkość przesyłania informacji i gęstość ich zapisu. Nowymi obiektami, które mogą spełnić te dwa kryteria, są spinowe spirale oraz skyrmiony. Pod tymi nazwami kryją się specyficzne lokalne, spiralne konfiguracje namagnesowania. Takie obiekty, stabilne w temperaturach pokojowych, mogą występować jedynie w sztucznie wytworzonych materiałach o określonych właściwościach.

- Celem planowanych przez nas badań jest wytworzenie materiałów magnetycznych o odpowiedniej strukturze geometrycznej oraz opisanie zachowania się w nich wspomnianych obiektów pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego lub płynącego przez nie prądu elektrycznego. Zamierzamy  zająć się badaniem różnych materiałów w postaci cienkich i ultracienkich warstw, które są obiecujące w kontekście wyżej opisanych wymagań: tlenków, azotków oraz sztucznych struktur metalicznych. W wytworzonych materiałach możliwe będzie kontrolowanie i regulowanie takich ich właściwości, jak anizotropia magnetyczna, sprzężenie międzywarstwowe oraz rozchodzenie się fal spinowych. To właśnie te właściwości będą użyteczne w zastosowaniach praktycznych – tłumaczy prof. Andrzej Maziewski.

Jak dodaje, pod pojęciem „ultracienkich” kryją się warstwy składające się z kilku płaszczyzn atomowych. W tego rodzaju strukturach udział atomów tworzących granicę warstwy (interfejs) jest znaczny (np. w warstwie zawierającej pięć płaszczyzn atomowych wynosi on 40%). Ponieważ właściwości magnetyczne atomów interfejsu różnią się od tych w środku warstwy, ze względu na odmienną symetrię otoczenia, tego typu struktura charakteryzuje się odmiennymi właściwościami niż materiał objętościowy. Te specyficzne właściwości występują w materiałach syntetycznych i nie są samoistnie obserwowane w przyrodzie. Podjęte przez międzynarodowy zespół badania pozwolą na wytworzenie materiału o pożądanych właściwościach poprzez zaprojektowanie odpowiedniej architektury układu warstwowego.

- Metaliczne nanostruktury będą wytwarzane w postaci warstwowej. Warstwę podstawową będą stanowiły ferromagnetyki, czyli materiały, które wykazują spontaniczne namagnesowanie, np. kobalt czy żelazo. Jedną z ciekawszych właściwości ultracienkich warstw ferromagnetycznych jest możliwość uzyskania prostopadłej anizotropii magnetycznej (PMA). Momenty magnetyczne (spiny) wszystkich atomów tej warstwy, wskutek tzw. oddziaływań wymiennych, ułożone są wzajemnie równolegle – prostopadle do powierzchni warstwy – i powodują, że próbka charakteryzuje się trwałym, mierzalnym namagnesowaniem w tym kierunku. Otoczenie warstwy magnetycznej wykonane z ciężkiego metalu (takiego jak np. wolfram, platyna, ren) wprowadza do układu dodatkowe oddziaływanie Dzyaloshinskii-Moriya (DMI). Powoduje ono, że spiny sąsiadujących ze sobą atomów odchylają się wzajemnie. Połączenie PMA i DMI może też prowadzić do powstania wspomnianych na początku skyrmionów – lokalnych wirów namagnesowania o średnicach nawet kilkunastu nanometrów. Obiekty takie są trwałe i mogą być poruszane np. za pomocą spolaryzowanego prądu elektrycznego, w którym liczba elektronów o przeciwnych spinach nie jest jednakowa, prądu spinowego – mówi prof. Maziewski. 

Dodaje, że opisane powyżej zjawiska umożliwiają gwałtowny rozwój dwóch nowych gałęzi nowoczesnej elektroniki: spintroniki i magnoniki. Pierwsza z nich wykorzystuje możliwość sterowania przepływem prądu elektrycznego, nie tylko za pomocą napięcia, ale również pola magnetycznego. W relacji odwrotnej - prąd spinowy może zmieniać namagnesowanie ferromagnetyku bez konieczności przykładania zewnętrznego pola magnetycznego. Z kolei magnonika wykorzystuje zjawisko rozchodzenia się fal spinowych, które są formą poruszającego się zaburzenia uporządkowania ferromagnetycznego. Fale spinowe mogą się rozchodzić nie tylko w metalach, ale również w izolatorach. Przewiduje się, że będą one służyć jako nośnik przesyłania informacji, wymagający dostarczenia znacznie mniejszej energii niż analogiczny prąd elektryczny.

- Bogactwo tych oddziaływań, kontrolowanych czynnikami zewnętrznymi, powoduje, że nowe materiały badane w naszym projekcie będą mogły być wykorzystane do budowy nowoczesnych zminiaturyzowanych urządzeń elektronicznych o niespotykanej dotąd funkcjonalności, a przy tym minimalnym zapotrzebowaniu na energię. Planowane badania będą bowiem prowadzone również pod kątem minimalizacji energii niezbędnej do sterowania falami spinowymi czy skyrmionami – podsumowuje fizyk z Uniwersytetu w Białymstoku.

To bardzo istotne, ponieważ aktualnie technologie służące do komunikacji i przesyłania informacji zużywają ok. 10 % wytwarzanej w skali światowej energii.

Projekt „Materiały do ultrawydajnej chiralnej spintroniki” będzie realizowany dzięki dofinansowaniu z konkursu M-ERA.NET, finansowanego ze środków Unii Europejskiej. Program M-ERA.NET ma za zadanie wspieranie i zwiększanie koordynacji europejskich programów badawczych w zakresie materiałoznawstwa i inżynierii, zgodnie z założeniami Europejskiego Zielonego Ładu, którego celem jest doprowadzenie do zerowego poziomu emisji gazów cieplarnianych w roku 2050 r.

Liderem projektu MUST będzie The Spanish National Research Council w Barcelonie. Ośrodek ten posiada duże możliwości w zakresie wytwarzania próbek tlenkowych (głównie warstw granatów) oraz azotków, strukturyzacji próbek oraz różnorodnej charakteryzacji i badań wytworzonych nanostruktur. Zespołem w Barcelonie kieruje doktor Can Avci, który swoją wiedzę w zakresie spintroniki zdobywał pracując na stanowiskach postdok w znakomitych ośrodkach naukowych: MIT (USA) oraz ETH Zurich (Szwajcaria). Dr Avci jest autorem prac w renomowanych czasopismach: „Nature”, „Physical Review Letter”, uzyskał prestiżowy europejski grant ERC. Kolejny partner - Marmara University w Stambule - specjalizuje się w modelowaniu właściwości magnetycznych nanostruktur oraz symulacji różnego typu procesów np. przemagnesowania. Kierownikiem tamtejszego zespołu będzie dr Caner Deger.

Po stronie polskiej członkiem międzynarodowego zespołu będzie konsorcjum dwóch ośrodków: Uniwersytetu w Białystoku (lider) oraz Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie. Jak przypomina prof. Andrzej Maziewski, jest to już kolejny projekt naukowy realizowany przez UwB we współpracy IF PAN.

- Potencjał badawczy naszych zespołów, rozwinięty z dużym wsparciem Krajowego Centrum Nanofizyki i Spintroniki – SPINLAB, znakomicie się uzupełnia. Prof. dr hab. Andrzej Wawro z IF PAN i jego współpracownicy bardzo dobrze opanowali techniki wytwarzania ultracienkich nanostruktur metalicznych oraz metody ich charakteryzacji. Z kolei my dysponujemy na Wydziale Fizyki UwB  różnorodnym zapleczem aparaturowym: magnetooptycznej magnetometrii i mikroskopii, spektroskopii nieelastycznego rozpraszania światła Brillouina, co umożliwia badanie magnetycznej anizotropii, oddziaływania Dzyaloshinskii-Moriya oraz uporządkowania magnetycznego – wylicza prof. Maziewski.

Współpraca partnerów z Polski, Hiszpanii i Turcji zapewni realizację wszystkich założonych zadań, czyli wytworzenie materiałów, ich strukturyzację, eksperymentalne badanie opisanych w projekcie właściwości oraz symulacje numeryczne, wzmacniające interpretację uzyskanych wyników. Ponadto na potrzeby realizacji projektu planowane jest m.in. zatrudnienie doktorantów (w tym po jednym w Białymstoku i w Warszawie) oraz postdoków.

Listę projektów z udziałem zespołów badawczych z Polski, zakwalifikowanych do finansowania w konkursie M-ERA.NET 3, można znaleźć na stronie internetowej Narodowego Centrum Nauki.