В ДВФУ разрабатывают физические основы для сверхбыстрых устройств магнитной памяти нового поколения

02.08.2021 93

Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) совместно с коллегами из Университета Кореи (Республика Корея) и Университета Сорбонны (Франция) исследуют граничное взаимодействие Дзялошинского-Мория — нетривиальный физический эффект, возникающий в многослойных металлических нанопленках. Исследователи подбирают оптимальное сочетание и толщину материалов, чтобы управлять намагниченностью системы. Так можно создать сверхъемкие, сверхбыстрые и энергоэффективные устройства памяти нового поколения, действующие на новых физических принципах. Статья об этом опубликована в Nature Communications.

Взаимодействие Дзялошинского-Мория возникает на границах слоев пленочных наноструктур из тяжелого металла и магнитного материала. Управляя этим эффектом, ученые хотят контролировать локальную намагниченность в нанопленках, тем самым создавая нетривиальные спиновые текстуры — скирмионы — размером менее 100 нм. Скирмионы обладают топологической устойчивостью к внешним воздействиям, что позволяет их использовать в качестве мобильных носителей информации. Такой носитель может переносить один бит — «0» или «1» в зависимости от его полярности — направления спинов электронов, образующих скирмион. Используя импульсный ток, можно управлять движением скирмионов и переключать их полярность. Такой подход позволяет кратно снизить выделение тепла и энергопотребление в разрабатываемых устройствах памяти, которые будут работать на новых физических принципах, основанных на квантовом эффекте — спин-орбитальном взаимодействии.

В новом исследовании ученые представилиы результаты исследования нанопленочной структуры, где диэлектрик из оксида магния (MgO) помещен между слоем платины (Pt) и сплавом из кобальта-железа-кремния-бора (CoFeSiB). Особое внимание исследователи уделили роли слоя из оксида магния, который, как оказалось, способствует косвенному обмену спинами электронов между тяжелым металлом и ферромагнетиком. Тем самым он выполняет функцию проводника, будучи изначально диэлектриком.

«Мы показали, что слой оксида магния, разделяя слои тяжелого металла и ферромагнетика, выступает в роли медиатора косвенного обмена между этими слоями. При этом взаимодействие Дзялошинского-Мория не прекращается при увеличении толщины слоя диэлектрика. Более того, им можно управлять, варьируя толщину слоя оксида магния. Спины электронов тяжелого металла могут туннелировать через непроводящую прослойку и передавать взаимодействие атомам ферромагнитного слоя, тем самым влияя на конфигурацию магнитных моментов. Этот эффект похож на взаимодействие Рудермана-Киттеля-Касуи-Иосиды — косвенное магнитное взаимодействие между магнитными ионами, осуществляемое через коллективизированные электроны проводимости. Контролируя толщину слоя-переключателя из оксида магния, мы в перспективе можем получить «инженерный» ключ к проблеме создания устройств памяти и логики, действующих на спин-электронных принципах, равно как и реализовать нейроморфные чипы, имитирующие работу нейронов человеческого мозга», — рассказал один из авторов идеи, доктор физико-математических наук, проректор ДВФУ по научной работе Александр Самардак.

Ученый сообщил, что создание систем на основе тяжелого металла и ферромагнетика, разделенных ультратонким слоем диэлектрика, позволяет коренным образом изменять электронные и магнитные свойства материалов. В результате возникают эффекты, не наблюдаемые в природе — например, необычные магнитные состояния, такие как скирмионы, мероны и скирмиониумы, которые и будут играть роль носителей информации в новом поколении памяти.

На следующем этапе ученые планируют создавать системы на основе ферримагнетиков — магнитных веществ, обладающих намагниченностью, сравнимой с ферромагнетиками, но при этом проявляющих динамические характеристики, схожие с антиферромагнетиками. Использование таких материалов в комбинации с тяжелыми металлами позволит достичь суб-терагерцовых частот при возбуждении магнитных моментов, тем самым открывая путь к сверхбыстрому переключению битов информации.

При поддержке программы мегагрантов национального проекта «Наука» ДВФУ и Киотский университет формируют лабораторию 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.

 

Источник: Пресс-служба ДВФУ




Назад к списку


Добавить комментарий
Прежде чем добавлять комментарий, ознакомьтесь с правилами публикации
Имя:*
E-mail:
Должность:
Организация:
Комментарий:*
Введите код, который видите на картинке:*