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硬盘驱动器材料中令人惊讶的量子效应

2019-05-11 10:32:37   来源:

科学家发现了影响金属合金信息存储特性的令人惊讶的方法。

有时科学发现可以沿着蜿蜒曲折的道路找到。事实证明,硬盘驱动器中常见的钴铁合金材料就是这种情况。

据最近一期“物理评论快报”报道,美国能源部(DOE)阿贡国家实验室,密歇根州奥克兰大学和中国复旦大学的研究人员发现,这种合金具有令人惊讶的量子效应。

这种效应涉及控制电子自旋方向的能力,它可以让科学家们开发出更强大,更节能的信息存储材料。通过改变材料中的电子自旋方向,研究人员能够改变其磁性状态。这种更大的磁化控制允许在更小的空间中存储和检索更多信息。更好的控制还可以产生额外的应用,例如更节能的电动机,发电机和磁轴承。

研究人员发现的效果与“阻尼”有关,其中电子自旋的方向控制着材料如何消散能量。“当你将车开到没有风的平坦高速公路上时,无论你的行进方向如何,阻力的消散能量都是相同的,”该研究的作者阿格恩材料科学家Olle Heinonen说。“通过我们发现的效果,如果你在南北行驶,那么你的汽车就会比你在东西向旅行时经历更多的阻力。”

“从技术角度来说,我们发现纳米级钴 - 铁合金涂层在氧化镁基体一侧的磁阻尼会产生相当大的影响,”该研究的另一位作者阿贡纳材料科学家阿克塞尔霍夫曼补充道。“通过控制电子自旋,磁阻尼决定了能量耗散率,控制了磁化的各个方面。”

该团队的发现尤其令人惊讶,因为钴铁合金已被广泛用于磁性硬盘驱动器等应用数十年,其性能已得到彻底研究。传统观点认为,这种材料没有优选的电子自旋方向,因而也没有磁化方向。

然而,在过去,科学家们通过在高温下“烘烤”它来制备合金,这使得钴和铁原子以规则的晶格排列,从而消除了定向效应。该团队通过检查未焙烧的钴铁合金来观察这种效应,其中钴和铁原子可以随机占据彼此的位置。

该团队还能够解释基础物理学。在晶体结构中,原子通常以对称排列的完美规则间隔。在某些合金的晶体结构中,通过烘烤过程可以去除的原子间的分离略有不同;这些差异仍然存在于“未烘烤”的材料中。

在原子水平上挤压这种材料进一步改变了原子的分离,导致结晶环境中原子自旋之间的不同相互作用。这种差异解释了阻尼对磁化的影响在某些方向上如何较大,而在其他方向上较小。

结果是钴 - 铁合金晶体结构内原子排列的非常小的变形对阻尼效应具有巨大影响。该团队在美国能源部科学用户设施办公室Argonne Leadership Computing Facility进行了计算,确认了他们的实验观察结果。

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