По мере развития технологий записи цифровых данных проблема хранения архивов ничуть не теряет своей актуальности. Напротив, новые технологии генерации контента опережают темпы расширения хранилищ. Говоря словами Алисы из знаменитого произведения Кэрролла: «Нужно бежать со всех ног, чтобы просто оставаться на месте». Учёные из Австралии обещают «не оставаться на месте» в системах магнитной записи, а сделать рывок, представив миру магнит из одной молекулы.

Источник изображения: Jamie Kidston/ANU

Разработкой магнита из одной молекулы занялся коллектив из Австралийского национального университета (ANU) в сотрудничестве с Университетом Манчестера. Также были привлечены вычислительные ресурсы Центра суперкомпьютеров Pawsey в Западной Австралии. Отчёт о работе опубликован в последнем номере журнала Nature.

Сегодня магнитная запись осуществляется с вовлечением огромного массива атомов на дисках, которые организуются в домены. Соседние домены негативно влияют друг на друга, и это тоже мешает повышать плотность записи на магнитных дисках. Домен размером с одну молекулу стал бы выходом, который привёл бы к высокоплотной записи данных, и работы в этом направлении идут. Но пока все предложенные материалы демонстрируют стабильность сверхмалых магнитных доменов только при очень низкой температуре — около 80 К (-193 ℃). Учёные из Австралии шагнули в более тёплую область рабочих температур, открыв магнитную молекулу, стабильную при температуре 100 К (-173 ℃).

«Новый одномолекулярный магнит, разработанный исследовательской группой, может сохранять своё магнитное состояние при температуре до 100 Кельвинов, что составляет около минус 173 градусов по Цельсию, или такой же холодной, как лунный вечер», — сказал соавтор исследования профессор Николас Чилтон (Nicholas Chilton) из ANU.

Очевидно, что в домашних условиях непросто поддерживать температуру -173 ℃. Однако для центров обработки и хранения данных это вообще не проблема. Таких температур легко добиться с использованием такого недорогого хладагента, как жидкий азот. Слоган «Храните данные в морозилке» может стать насущной реальностью.

Сама по себе молекула-магнит представляет давно известное соединение редкоземельного элемента диспрозия с двумя атомами азота. В обычных условиях все три атома расположены зигзагом, но благодаря добавке алкена они выстроились почти в идеальную прямую, что придало молекуле магнитные свойства.

Учёные теоретически обосновали структуру магнитной молекулы и вычислили её свойства, для чего был использован суперкомпьютер и квантовая механика. Уравнения квантовой механики дают результат, совпадающий с показаниями эксперимента до 12 знаков после запятой. Поэтому расчётам можно верить. Сделанное открытие позволит оттолкнуться от него и найти молекулы с ещё более сильными магнитными характеристиками, или поддерживающими их при более высокой температуре.

«Эта новая молекула может привести к появлению новых технологий, которые позволят хранить около трёх терабайт данных на квадратный сантиметр. Это эквивалентно примерно 40 000 CD-копий альбома "Тёмная сторона Луны", помещенных на жёсткий диск размером с почтовую марку, или примерно полумиллиону видеороликов TikTok», — резюмируют исследователи.

Экспоненциальный рост информационного потока и прогресс в сфере нейронных сетей и искусственного интеллекта требуют новой и необычной памяти, поскольку требования к хранению и обработке данных переросли современные технологии. Кандидатов на эту роль много, и одним из них может стать созданная в Барселоне память на магнитных вихрях, которая, к тому же, удачно имитируют синапсы головного мозга человека, прокладывая путь к нейроморфным вычислениям.

Источник изображения: ИИ-генерация Grok 3/3DNews

О разработке сообщили исследователи из Автономного университета Барселоны (UAB), опубликовав статью в журнале Nature Communications. Учёные отступили от идеи использовать сплошные тонкоплёночные покрытия, как, например, происходит при производстве жёстких дисков. Вместо этого они создали массив точек нанометрового размера. Каждая точка представляет собой своеобразную ячейку памяти, разрядность которой может быть ощутимо больше двух классических 0 и 1.

Принцип новой разработки заключается в том, что состоянием ячейки можно управлять без токовой цепи, как происходит в случае классической магниторезистивной памяти. Вместо этого ячейкой управляют напряжением (магнитным полем), что резко снижает энергопотребление памяти и, как следствие, её тепловыделение.

Источник изображений: Nature Communications 2025

Наноточки изготавливаются из первоначально парамагнитного (слабомагнитного) материала FeCoN (соединение железа, кобальта и азота). Когда под электроды под наноточками подаётся напряжение — создаётся электромагнитное поле, происходит выталкивание ионов азота в окружающий материал электролит. Тем самым материал превращается в ферромагнетик с растущим снизу вверх градиентом намагниченности.

После определённого рубежа магнитные моменты атомов в наноточках формируют устойчивую магнитную вихреобразную структуру (Vortion). Это соответствует переводу наноточки в определённое состояние или, проще говоря, ведёт к записи ячейки. Учёные убедились, что регулируя время подачи напряжения на электроде можно добиваться нескольких магнитных состояний вихрей, тем самым повышая разрядность хранения данных в каждой наноточке.

Самым интересным применением нового типа памяти обещает стать её использование в нейроморфных вычислениях. Подобно хранению данных в синапсе человеческого мозга, память на магнитном вихре может содержать одновременно весовой коэффициент и амплитуду, открывая путь к новым типам вычислений в памяти.

Группа учёных из Городского колледжа Нью-Йорка сообщила о замеченном сильном магнитооптическом отклике. Магнитный материал буквально впитывал свет, вступая с ним в реакцию на порядки сильнее, чем было известно до этого. Обнаруженное свойство обещает привести к созданию магнитных лазеров и новых систем для записи данных, основанных не на привычном магнитоэлектрическом взаимодействии, а на магнитооптическом.

Пойманный в ловушку в магнитном материале свет. Художественное представление. Источник изображения: City College of New York

В своём эксперименте учёные изучали свойства магнитных ван-дер-ваальсовых материалов. Конкретно — слоистый полупроводниковый магнитный материал CrSBr. Подобные обычно состоящие из двумерных слоёв материалы за счёт вкрапления магнитных элементов обладают внутренней магнитной структурой и способны демонстрировать интересные квантовые свойства. Образец не разочаровал. При наложении внешнего магнитного поля он настолько сильно прореагировал на световой импульс в ближней инфракрасной области, что это отразилось в изменении цвета материала.

Но структура материала может реагировать на свет сама по себе. В представленных материалах возникают квазичастицы экситоны, которые связаны как с материалом, так и способны реагировать на фотоны. Обычно такие взаимодействия очень и очень слабы, но в случае с экспериментальным образцом внутренняя структура магнита как бы улавливала входящий световой импульс и проявляла на него сильную реакцию.

Как показали эксперименты, оптический отклик этого материала на магнитные явления на порядки сильнее, чем в обычных магнитах. «Поскольку свет переотражается внутри магнита, взаимодействие между ними действительно усиливается, — сказал доктор Флориан Дирнбергер, ведущий автор исследования. — Например, при наложении внешнего магнитного поля отражение света в ближней инфракрасной области изменяется настолько сильно, что материал практически меняет свой цвет. Это довольно сильный магнитооптический отклик».

«Технологические применения магнитных материалов сегодня в основном связаны с магнитоэлектрическими явлениями. — Рассказал соавтор исследования Цзямин Куань (Jiamin Quan). — Учитывая столь сильное взаимодействие между магнетизмом и светом, мы можем надеяться на создание магнитных лазеров и пересмотреть старые концепции оптически управляемой магнитной памяти».