Новые механизмы, энергоэффективность и хранение — куда движется память будущего?

Магнитная память, построенная на основе спин-орбитронных эффектов, — это память нового поколения, благодаря которой могут появиться более быстрые и энергоэффективные устройства. К примеру, время автономной работы от одной зарядки телефонов или ноутбуков с такой памятью увеличится в несколько раз, а при отключении электроэнергии персональные компьютеры перестанут терять записанные в оперативную память данные из-за измененного подхода к процессам записи и считывания информации и ее сохранения. Разрабатываемая память пригодится в отраслях, где используются компьютеры для расчетов — от центров обработки данных до автономных автомобилей и метеопрогнозов. В дальнейшем это откроет новые возможности для реализации аппаратных систем искусственного интеллекта и квантового компьютера.

Ученые ДВФУ разрабатывают магнитную память, руководствуясь принципами спин-орбитроники. Запись в такой памяти осуществляется спиновым током без приложения внешних магнитных полей, а информация хранится без потребления энергии. В целом же ключевая задача спин-орбитроники и заключается в исследовании магнитных материалов и создании элементной базы нового типа для энергоэффективной электроники. Чем же спин-орбитроника принципиально отличается от других направлений науки?

Спин-орбитроника vs электроника

Многим известно, что электроника — это область науки и техники, в основе которой лежат такие понятия, как электрический заряд и взаимодействие заряженных частиц, а также способы управления ими с помощью электромагнитного воздействия. На этих принципах создана элементная база различных устройств и приборов: компьютеров, телефонов, медицинского оборудования и вычислительной техники. В электронике информация передается, хранится и обрабатывается как электрический заряд.

Спин-орбитроника базируется на принципиально другом подходе. Устройства спин-орбитроники также могут хранить и обрабатывать информацию, но без физического переноса заряженных частиц (электрического тока). При записи информации изменяется намагниченность материала, то есть направление атомных магнитных моментов, которые для простоты именуют спинами. Для управления ориентацией спина можно использовать магнитное поле, оптическое излучение или электрический ток. В спин-орбитронике исследователи сфокусировали свои усилия на изучении взаимодействия магнитных моментов  с электрическим током.

Это привело к открытию механизма переключения спинов за счет взаимодействия со спин-поляризованным током. В устройствах спин-орбитроники запись информации в виде нулевого бита  либо единицы условно определяется направлениями «спин-вверх» и «спин-вниз». Механическим аналогом спина является крутящийся волчок, который стремится сохранить состояние равновесия. Вращение по часовой  либо против часовой стрелки определяет направление спина — вверх или вниз.

Образцы магнитных структур

Но тут возникает вопрос: какая разница, каким способом хранить информацию? Все зависит от того, какие цели мы преследуем. Нам важно не тратить впустую электроэнергию, хранить данные на надежном устройстве и получать к ним быстрый доступ. Ученые отмечают, что спиновые системы более энергоэффективны, быстры и надежны, чем традиционные системы записи и хранения информации, такие как жесткие магнитные диски (HDD), твердотельная память (SSD) и оперативная память (DRAM, SRAM).

В поисках идеальной среды для спинов: поляризаторы, магниты и DMI

Спин остается в своем состоянии вне зависимости от поля или тока, то есть им можно управлять и при необходимости повернуть в нужную сторону, но для этого нужно использовать внешнее воздействие. В качестве такого воздействия ученые ДВФУ используют внешнее магнитное поле или импульсный ток. В этой связи существует несколько подходов для создания новых магнитных наноструктурированных материалов.

Первый подход — использование поляризаторов для управления спинами. Ученые выявили еще 20 лет назад, что если пропускать ток через слой ферромагнитного материала, то электроны поляризуются и спин будет совпадать с направлением намагниченности в слое. Такие материалы не позволят регулировать направление спинов, но помогут «заставить» электроны с хаотичным направлением спинов перейти в спин-поляризованное, т.е. упорядоченное состояние. Данный подход обладает существенным недостатком, так как если мы уменьшаем толщину ферромагнитного слоя, то через него сложно пропустить электрический ток, поэтому спин-поляризационный эффект становится мал. Это ограничивает применение данного подхода в спин-орбитронике.

Второй подход — это использование специальной среды — пленок из материалов с сильной спин-орбитальной связью, например, из вольфрама или платины. При прохождении электронов в таких пленках, наблюдают спиновый эффект Холла, при котором электроны распределяются в пространстве на две группы: электроны со «спином-вверх» и со «спином-вниз».

Как это работает? Пропускание тока через тонкий слой металлов (W, Pt) приводит к поляризации электронов вследствие спинового эффекта Холла. При этом электроны со «спином-вверх» собираются у верхнего края пленки. Эти электроны могут проходить в вышележащий магнитный слой и переключать его намагниченность, но только в том случае, если намагниченность немного подвернута. Подворот намагниченности проще всего создать постоянным внешним магнитным полем, однако такой подход не может быть использован локально, в нанометровом масштабе.

Эта задача была решена в рамках совместной работы ученых из ДВФУ и Китая, которые предложили использовать многослойную структуру, включающую в себя два ферромагнитных слоя. В верхнем слое спины были ориентированы перпендикулярно плоскости, во втором — лежали в плоскости. Такая конфигурация намагниченности — T-структура, ранее многократно исследовалась для задач упрощения токоиндуцированного переключения, однако, в данной работе, было реализовано принципиальное отличие: граница раздела между магнитными слоями была шероховатой, как апельсиновая кожура. Это позволило значительно усилить межслоевое взаимодействие, которое приводит к наклону намагниченности, схожему по воздействию с влиянием внешнего поля, что в свою очередь делает переключение при пропускании тока более эффективным.

В другом случае использовалась многослойная структура, включающая в себя два магнитных слоя с перпендикулярной ориентацией спинов. Осаждение магнитного материала производилось в присутствии внешнего магнитного поля в плоскости, что в готовой структуре обусловливает наличие оси, вдоль которой отклонение будет преимущественным. Наличие такой особенности, в сочетание с межслоевым обменным взаимодействием приводит к тому, что спины в соседних слоях отклоняются от перпендикулярной ориентации в противоположные стороны. С одной стороны, это может быть использовано для практических задач токоиндуцированного перемагничивания, а с другой, такое поведение качественно повторяет эффект взаимодействия Дзялошинского-Мория, который, в данном случае, создан искусственно.

Проверка качества контактных площадок на оптическом микроскопе

Эти универсальные способы управления ориентации спина или намагниченности позволяют эффективно переключать биты с информацией, а также хранить и обрабатывать ее. Именно к этому стремятся физики, которые занимаются передовой наноэлектроникой.

Магнетронная распылительная система на базе сверхвысоковакуумного комплекса «Омикрон»

Напомним, при поддержке программы мегагрантов национального проекта «Наука и университеты» в Дальневосточном федеральном университете создана лаборатория спин-орбитроники мирового уровня. В ней уже сейчас разрабатывают научные и технологические основы нового поколения умной электроники для высокопроизводительных энергоэффективных вычислений и телекоммуникаций. На базе лаборатории планируют реализовать полный технологический цикл: от научно-исследовательских работ до испытаний и, возможно, опытного производства экспериментальных образцов трековой памяти и логических элементов для нового поколения электроники. Здесь же готовят новое поколение высококвалифицированных исследователей. Решаемые в лаборатории задачи полностью соответствуют стратегическому направлению развития ДВФУ «Физика и материаловедение» в рамках программы «Приоритет 2030».

Пресс-служба ДВФУ
[email protected]