Вместо того чтобы читать и записывать данные по одному бит за раз, изменяя ориентацию намагниченных частиц на поверхности, как это делают современные магнитные диски, новая система будет использовать крошечные нарушения магнитной ориентации, которые были названы «скирмионами»."Эти виртуальные частицы, которые появляются на тонкой металлической пленке, зажатой против пленки из другого металла, можно манипулировать и контролировать с помощью электрических полей, и они могут хранить данные в течение длительного времени без необходимости дополнительного ввода энергии.
В 2016 году команда под руководством доцента материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института Джеффри Бич задокументировала существование скирмионов, но расположение частиц на поверхности было совершенно случайным. Теперь Бич сотрудничал с другими, чтобы впервые экспериментально продемонстрировать, что они могут создавать эти частицы по желанию в определенных местах, что является следующим ключевым требованием для их использования в системе хранения данных.
Эффективная система для чтения этих данных также потребуется для создания коммерциализируемой системы.
О новых результатах сообщается на этой неделе в журнале Nature Nanotechnology в статье Бич, постдока Массачусетского технологического института Феликса Бюттнера, аспиранта Ивана Лемеша и еще 10 человек из Массачусетского технологического института и Германии.
Система фокусируется на граничной области между атомами, магнитные полюса которых направлены в одну сторону, и атомами с полюсами, указывающими в другую сторону.
По словам Бич, эта граничная область может перемещаться вперед и назад в магнитном материале. Четыре года назад он и его команда обнаружили, что этими граничными областями можно управлять, помещая второй лист немагнитного тяжелого металла очень близко к магнитному слою. Затем немагнитный слой может влиять на магнитный слой, при этом электрические поля в немагнитном слое толкают магнитные домены в магнитном слое. Скирмионы – это маленькие завитки магнитной ориентации в этих слоях, добавляет Бич.
Оказывается, ключ к возможности создавать скирмионы в определенных местах кроется в дефектах материала. Команда обнаружила, что, вводя определенный вид дефекта в магнитный слой, скирмионы закрепляются в определенных местах на поверхности.
Эти поверхности с намеренными дефектами могут затем использоваться в качестве контролируемой поверхности для записи данных, закодированных в скирмионах. Команда поняла, что дефекты материала могут не быть проблемой, а принести пользу.
По словам Бич, «одна из самых больших недостающих частей», необходимых для превращения скирмионов в практичный носитель данных, была надежным способом их создания там и тогда, когда они были необходимы. «Так что это значительный прорыв», – объясняет он благодаря работе Бюттнера и Лемеша, ведущих авторов статьи. «То, что они обнаружили, было очень быстрым и эффективным способом написания» таких образований.
Поскольку скирмионы, в основном небольшие вихри магнетизма, невероятно устойчивы к внешним возмущениям, в отличие от отдельных магнитных полюсов в обычном магнитном запоминающем устройстве, данные могут храниться, используя только крошечный участок магнитной поверхности – возможно, всего несколько атомов в поперечнике. Это означает, что на поверхность заданного размера можно записать гораздо больше данных. Это важное качество, объясняет Бич, потому что обычные магнитные системы в настоящее время достигают пределов, установленных базовой физикой их материалов, что потенциально может остановить постоянное улучшение емкости хранения, лежащее в основе закона Мура.
По его словам, новая система, после того как она будет усовершенствована, сможет обеспечить дальнейший прогресс в направлении все более плотного хранения данных.
Система также потенциально может кодировать данные с очень высокой скоростью, что делает ее эффективной не только в качестве замены магнитных носителей, таких как жесткие диски, но даже для гораздо более быстрых систем памяти, используемых в оперативной памяти (ОЗУ) для вычислений.
Но чего по-прежнему не хватает, так это эффективного способа считывания данных после того, как они были сохранены.
Сейчас это можно сделать с помощью сложной рентгеновской магнитной спектроскопии, но для этого требуется слишком сложное и дорогое оборудование, чтобы быть частью практической компьютерной системы памяти. Исследователи планируют изучить более эффективные способы получения информации, которые можно было бы производить в больших масштабах.
Рентгеновский спектрограф «похож на микроскоп без линз», – объясняет Бюттнер, поэтому изображение восстанавливается математически на основе собранных данных, а не физически путем изменения световых лучей с помощью линз.
Линзы для рентгеновских лучей существуют, но они очень сложные и стоят от 40 000 до 50 000 долларов за штуку, говорит он.
Но возможен альтернативный способ чтения данных с использованием дополнительного металлического слоя, добавленного к другим слоям. Создав определенную текстуру на этом добавленном слое, можно будет обнаружить различия в электрическом сопротивлении слоя в зависимости от того, присутствует ли скирмион в соседнем слое или нет. «Нет никаких сомнений в том, что это сработает», – говорит Бюттнер, – это просто вопрос определения необходимых инженерных разработок.
Команда применяет эту и другие возможные стратегии для решения вопроса о считывании.