Пьетро Гамбарделла, профессор кафедры материалов ETH Zurich, и его коллеги вместе с коллегами из физического факультета и Института Пауля Шеррера (PSI) показали, что с помощью новой техники магнитное хранение все еще может быть достигнуто. очень быстро и без лишних затрат энергии.
Инверсия намагничивания без катушек
В традиционных технологиях магнитного хранения данных используются ленточные или дисковые носители данных, покрытые кобальтовым сплавом. Катушка с током создает магнитное поле, которое изменяет направление намагничивания в небольшой части носителя данных. По сравнению со скоростями современных процессоров, эта процедура очень медленная, а электрическое сопротивление катушек приводит к потере энергии.
Поэтому было бы намного лучше, если бы можно было изменять направление намагничивания напрямую, без обходного пути через магнитные катушки.
В 2011 году Гамбарделла и его коллеги уже продемонстрировали технику, которая может делать именно это: электрический ток, проходящий через полупроводниковую пленку со специальным покрытием, инвертирует намагниченность в крошечной металлической точке.
Это стало возможным благодаря физическому эффекту, называемому крутящим моментом на орбите. В результате ток, протекающий в проводнике, приводит к накоплению электронов с противоположным магнитным моментом (спинами) на краях проводника.
Спины электронов, в свою очередь, создают магнитное поле, которое заставляет атомы в соседнем магнитном материале изменять ориентацию своих магнитных моментов. В новом исследовании ученые подробно изучили, как этот процесс работает и насколько быстро он протекает. Результаты были недавно опубликованы в научном журнале Nature Nanotechnology.
Пространственное разрешение с рентгеновскими лучами
В своем эксперименте исследователи инвертировали намагниченность кобальтовой точки диаметром всего 500 нанометров, используя импульсы электрического тока, которые проходили через соседнюю платиновую проволоку. Во время этого процесса они подвергли кобальтовую точку сильно сфокусированным рентгеновским лучам, которые были созданы швейцарским источником света PSI. Рентгеновские лучи последовательно сканировали точку с пространственным разрешением 25 нанометров.
Насколько сильно точка поглощала рентгеновские лучи в определенной точке, зависело от направления локальной намагниченности.
«Таким образом мы получили двумерное изображение намагниченности внутри кобальтовой точки и могли наблюдать, как импульс тока постепенно меняет ее», – объясняет Мануэль Баумгартнер, ведущий автор исследования и докторант исследовательской группы Гамбарделлы.
Таким образом, исследователи смогли заметить, что инверсия намагниченности произошла менее чем за одну наносекунду – значительно быстрее, чем в других недавно изученных методах. «Более того, теперь мы можем предсказать на основе экспериментальных параметров, когда и где инверсия намагниченности начинается и где она заканчивается», – добавляет Гамбарделла.
В других методах инверсия также запускается электрическим током, но запускается тепловыми флуктуациями в материале, что вызывает большие изменения во времени инверсии.
Возможное применение в ОЗУ
Исследователи отправили до триллиона инверсионных импульсов через кобальтовую точку на частоте 20 МГц, не наблюдая никакого снижения качества инверсии намагниченности. «Это дает нам надежду на то, что наша технология должна подходить для приложений в магнитных RAM», – говорит бывший постдок Gambardella Кевин Гарелло, также ведущий автор исследования.
Сейчас Гарелло работает в исследовательском центре IMEC в Лёвене, Бельгия, исследуя коммерческую реализацию метода.
На первом этапе исследователи хотели бы оптимизировать свои материалы, чтобы заставить инверсию работать еще быстрее и с меньшими токами. Еще одна возможность – улучшить форму кобальтовых точек.
На данный момент они круглые, но другие формы, такие как эллипсы или ромбы, могут сделать инверсию намагниченности еще более эффективной, говорят исследователи. Магнитное ОЗУ может, среди прочего, сделать загрузку операционной системы при загрузке компьютера устаревшей – соответствующие программы останутся в рабочей памяти даже при отключении питания.