«Иногда хочется прожить несколько жизней, чтобы успеть попробовать все»: физик Ксения Чичай ― о спинтронике, новых способах хранения данных и карьере ученого

Еще в 2008 году исследовательская группа компании IBM представила первые результаты работы по созданию нового класса энергонезависимой памяти — magnetic racetrack memory, или так называемой памяти «на беговой дорожке». Предполагалось, что она объединит скорость оперативной памяти и дешевизну жестких дисков, превзойдет их по плотности записи и при этом будет потреблять в десятки раз меньше энергии. Над моделями похожих устройств для хранения и передачи данных работают и в ИТМО. Как строятся такие исследования, что такое спинтроника и как эта область может помочь создать новые способы записи, хранения и передачи информации, ITMO.NEWS рассказывает физик, участница программы ITMO Fellowship Ксения Чичай.

— Ваша работа связана со спинтроникой. Расскажите, пожалуйста, подробнее об этой области ― что это, что включает, где применяются результаты таких исследований?

— Если коротко, спинтроника — это область квантовой электроники, которая изучает перенос спина, то есть собственного момента импульса элементарных частиц, в твердотельных устройствах. Если в обычной электронике информацию или энергию переносит электрический ток, то в спиновой электронике это делает ток спинов. С помощью спинтроники можно достичь большей плотности записи информации и повысить скорость ее передачи в логических устройствах.

― А как вы пришли в это направление? Почему в принципе решили выбрать научную карьеру?

— Когда я заканчивала университет и думала, куда идти дальше, то заметила, что боюсь перестать учиться. Для меня ощущение того, что я узнаю что-то новое, было очень важным. На последних курсах я начала работать в лаборатории и была рада этому опыту, поэтому когда появилась возможность пойти в аспирантуру, я воспользовалась ею. Другая причина — это, наверное, общее любопытство к миру, которое проявляется не только в науке, но и в наблюдении за природой и других сферах. Иногда мне хочется прожить несколько жизней, чтобы успеть попробовать все.

Я выбрала спинтронику, потому что считаю эту научную область внутренне красивой. Мне вообще кажется, что научные изыскания похожи на расследования, когда тебе хочется докопаться до самой сути.

― Какими конкретно исследованиями вы занимались?

― Свою научную карьеру я начала в Балтийском федеральном университете имени Иммануила Канта в Калининграде. Моя выпускная квалификационная работа была посвящена композитным мультиферроикам в тонкопленочной форме — это специальные структуры толщиной в несколько десятков или сотен нанометров, которые состоят из магнитной и сегнетоэлектрической фаз (слоев) и позволяют преобразовывать внешнее магнитное поле в электрическое напряжение. Такие материалы можно использовать в различных датчиках (например, в автомобилях, телефонах и медицинских устройствах) и источниках питания для выработки энергии.

Затем, в аспирантуре, я изучала другие композитные объекты — аморфные ферромагнитные микропровода в стеклянной оболочке. Из-за своей аморфной структуры и наличия внутренних механических напряжений такие материалы обладают интересными магнитными свойствами. Весь описанный опыт посвящен экспериментальной работе — преимущественно ею я и занималась долгое время. Но в последние несколько лет мне довелось попробовать теоретическое моделирование.

— А почему вы решили перейти от экспериментов к теоретическим исследованиям? Кажется, что это не совсем типичный путь.

— Иногда теоретическое моделирование позволяет лучше и детальней рассмотреть некоторые процессы, изучить, что происходит внутри объектов. Изучая микропровода, я очень хотела заглянуть внутрь и визуализировать их микромагнитную структуру. Но из-за их цилиндрической формы и недостаточно большой площади сделать это сложно, в отличие от тонких пленок, которые можно рассмотреть с помощью микроскопа. Это желание и стало первым толчком к тому, чтобы попробовать моделирование.

В 2015 году я поехала в университет Тохоку в Японии. Там я работала со скирмионами — магнитными вихрями, которые могут вести себя как частицы (перемещаться и взаимодействовать). Это был мой первый опыт, когда я смогла заглянуть внутрь объекта и изучить его конфигурации изнутри с помощью симуляций.

Также мой первый опыт работы в теоретической группе в Японии показал мне, что теоретики мыслят совсем по-другому — было интересно посмотреть на мир немного с другой точки зрения. Если в экспериментах мы измеряем те характеристики объекта, которыми он обладает сейчас, то теория позволяет увидеть объект таким, каким он только потенциально может быть. 

С 2019 года я работала в коллаборации с Юлихским исследовательским центром по теме скирмионов. Мы рассматривали не только простые вихри, но и более сложные структуры, когда один скирмион может вмещать в себя несколько магнитных вихрей; изучали их динамику. После этого опыта я твердо решила, что хочу двигаться к моделированию и теории.

Думаю, что именно такой разнообразный опыт сформировал меня как ученого, ведь я могу посмотреть на область своих исследований с разных сторон.

— В ИТМО вы приехали по программе ITMO Fellowship. Как вообще узнали об университете, программе? Чем вас привлекла такая возможность?

— Об ИТМО я узнала пару лет назад, когда участвовала в SCAMT PI School. Тогда университет показался мне довольно современным, стало понятно, что здесь есть научный движ, быстро развиваются исследования, а научные группы обладают высоким уровнем знаний.

В прошлом году я захотела поменять место работы и вспомнила о профессоре Валерии Уздине, о котором узнала благодаря коллаборации с Юлихским исследовательским центром. Его научная группа занимается топологическими солитонами. Это направление исследований показалось мне интересным, поэтому я связалась с ним и узнала о программе ITMO Fellowship.

— Вы работали в том числе в зарубежных вузах. Учитывая этот опыт, как оцениваете программу ITMO Fellowship, насколько она отличается от других аналогичных программ?

— Да, у меня было много стажировок и за рубежом, и в России. На мой взгляд, ITMO Fellowship отличается от большинства российских программ — обычно такие встречаются в зарубежных вузах. Например, здесь краткая и лаконичная форма заявки, нет большого количества бюрократии. Мне понравилось, что кандидата оценивают не только по тому, насколько его компетенции соответствуют интересам научной группы, но и смотрят, что нового он сможет принести, чем дополнит опыт группы. Мне кажется, это ценный подход.

— Каким проектом вы занимаетесь в ИТМО? И каким видите результат своей работы?

— В ИТМО я исследую магнитные топологические солитоны — это такие локализованные неоднородности (дефекты) или, иными словами, особое состояние вещества — например, в виде закрученного вихря намагниченности. В магнетизме, например, к таким объектам относят скирмионы или доменные границы, которые разделяют области с однородной намагниченностью.

Зачем вообще это нужно? Сейчас в науке есть тренд на миниатюризацию: чтобы достичь большей плотности записи, мы должны уменьшать объекты, которые используем для записи и хранения информации. Но у этого есть свой предел: если объект станет слишком маленьким, то он будет нестабильным по отношению к внешним воздействиям — например, температурным колебаниям. На этом фоне выгодно выделяются топологические дефекты — они интересны ученым, потому что обладают топологической защищенностью. Это свойство, благодаря которому эти объекты нельзя просто так разрушить, так как для этого нужно преодолеть определенный энергетический барьер. Наша научная группа исследует стабильность этих объектов при различных воздействиях.

Движение таких объектов я изучаю также и в аморфных ферромагнитных проводах, которыми когда-то занималась в аспирантуре. У меня есть большой объем экспериментальных данных, часть которых объяснена, а другую часть объяснить трудно, потому что для этого нужно заглянуть внутрь объекта. Поэтому я исследую эти структуры с помощью моделирования: изучаю динамику движения доменной границы в них. Для этого мы с группой создали специальный модуль в компьютерной программе, который поможет моделировать такие объекты более детально.

— Как можно применять эти результаты на практике? Какие проблемы могут помочь решить?

— Результаты наших исследований будут полезны для создания новых способов записи, хранения и передачи информации.

Так, в магнитном материале есть области с однородной намагниченностью, в которых магнитные моменты всех атомов направлены в одну сторону, — магнитные домены. Нано- или микропровод из магнитного материала можно разбить вдоль длины на такие домены с противоположным направлением намагниченности с помощью доменных границ. Все потому, что доменные границы могут двигаться вдоль провода при приложении магнитного поля или тока и выполнять роль носителей информации.

На основе этих свойств физик Стюарт Паркин в 2008 году предложил память нового типа ― racetrack memory (беговая память). Ее преимущество заключается в том, что записывающий и считывающий элементы остаются неподвижны, а движутся только доменные границы внутри провода. То есть, если традиционный способ записи информации работает за счет механического движения, из-за которого есть риск поломки, то в новом методе использовать механику не требуется. От скорости движения доменных границ будет зависеть быстродействие потенциальных устройств, поэтому мы изучаем, что именно влияет на скорость этих доменных границ и как эту скорость можно увеличить.

Кроме того, вместо доменных границ можно использовать скирмионы — для их перемещения нужны токи намного меньшей плотности. Мы будем исследовать, насколько эта технология подходит для долговременного хранения информации. Ее можно будет использовать для записи и хранения данных в логических устройствах — то есть таких, которые обрабатывают информацию в цифровой форме (процессор смартфона, компьютера и другие). Для этого важно изучить такие топологические магнитные солитоны в системах с реалистичными параметрами, в том числе неоднородными магнитными характеристиками и дефектами. Все эти факторы вместе с тепловыми флуктуациями будут определять стабильность этих объектов.

― Вы занимаетесь теоретическими исследованиями. Но часто, к сожалению, «то, что нельзя потрогать» не всегда очевидно, далеко не все понимают ценность фундаментальной науки. Как бы вы объяснили значение фундаментальных исследований?

— Прикладные исследования обычно ориентируются на здесь и сейчас либо на ближайшее будущее. А фундаментальная наука позволяет открыть эффект, ценность которого сейчас, может, и не очевидна, но может быть значима в будущем. Например, мультиферроики, которые я когда-то исследовала, обладают магнитоэлектрическим эффектом, который был предсказан еще в конце 19 века, а открыт в 60-е годы 20-ого, но тогда его нельзя было применить на практике из-за его малой величины. И только пару-тройку десятилетий назад люди придумали, как воспроизводить этот эффект в сложных композитных материалах, где он может наблюдаться в нужных условиях и быть достаточной величины для практического применения.

Концепцию скирмиона тоже предложил еще в 60-е годы физик Тони Скирми, а существование магнитных скирмионов предсказали ученые Алексей Богданов и Дмитрий Яблонский 30 лет назад — и только около 10 лет назад эти объекты были обнаружены экспериментально. 

— А как вы проводите свободное время?

— Я занимаюсь парными танцами на спортивном уровне и сольными в том числе: среди направлений ― хастл/дискофокс, west coast swing. Больше всего в танцах мне нравится импровизация и фристайл, когда можно попробовать выразить себя в музыке вне отдельного танцевального направления. Возможно, в этом желании что-то скомбинировать прослеживается параллель с моей научной жизнью. Ведь именно на границе разных областей, будь то танцы или наука, всегда происходит что-то интересное.