В электронных устройствах нового поколения твёрдотельная память всё чаще выигрывает конкуренцию у жёстких дисков, использующих магнитные эффекты для хранения информации. Твёрдотельная (flash) память, принцип работы которой основан на электрических эффектах, обладает более высокой скоростью доступа к информации, не имеет движущихся частей, что гарантирует меньшие габариты и большую надёжность. Значит ли это, что магнитная память скоро станет достоянием истории? Специалисты, развивающие новое направление электронной техники — спин-орбитронику, считают, что у магнитной памяти «всё впереди».
«Флеш-память основана на управлении положением электрических зарядов, при этом запись информации осуществляется за счёт их переноса, — объясняет Максим Стеблий, научный сотрудник лаборатории плёночных технологий Дальневосточного федерального университета (ДВФУ, г. Владивосток). — Память на спин-орбитальных эффектах будет основана на контроле ориентации спинового магнитного момента электронов. По сути, речь идёт о повороте магнитной “стрелки”. Такой принцип записи информации не требует переноса массы в пространстве и может обеспечивать большее быстродействие. Как известно, любой объём ферромагнетика* — от магнита на холодильнике до одного атома — характеризуется определённой ориентацией магнитной “стрелки” (магнитного момента), при этом в большом объёме таких “стрелок” множество».
Можно выделить два основных взаимодействия между магнитными моментами: обменное (взаимодействие спинов) и магнитостатическое (взаимодействие магнитных сил). Первое стремится выстроить соседние магнитные моменты в ферромагнетиках параллельно друг другу (сонаправленно), а второе — замкнуть магнитный поток на макроуровне, выстраивая магнитные моменты вдоль замкнутой линии. Конкурирующее взаимодействие приводит к тому, что в массиве «стрелок» могут формироваться устойчивые неоднородные магнитные конфигурации, такие как доменные стенки (переходные зоны) между доменами — областями с одинаковым направлением магнитных моментов, вихри, в которых магнитные моменты словно закручены в одном направлении водоворотом, скирмионы (разновидность магнитных вихрей с поворотом магнитных моментов в направлении, перпендикулярном плоскости их расположения) и т. д.
Все эти конфигурации могут рассматриваться как квазичастицы, которые благодаря стабильности и малым размерам (100—10 нм) можно использовать при реализации различных компонент микроэлектроники, в частности элементов памяти и логики. Однако применение магнитных элементов ограничено отсутствием подходящего метода управления намагниченностью в них. Поиск такого метода — ключевой момент развития спинтроники.
В качестве перспективного способа рассматривается использование переноса спинового магнитного момента при пропускании тока в системах с сильным спин-орбитальным взаимодействием, возникающим из-за наличия одновременно магнитных моментов, связанных со спином и c орбитальным движением частиц, например, в структурах ферромагнетик/тяжёлый немагнитный металл. При этом электрический ток оказывает действие на магнитные моменты вследствие спинового эффекта Холла или эффекта Рашбы. В первом случае при протекании тока в немагнитном проводнике происходит отклонение электронов с разными спинами в противоположные стороны, что обуславливает наличие спинового тока поперёк направления тока проводимости. Проникновение спинового тока в ферромагнитный слой действует на магнитные моменты в этом слое. Во втором случае на границе раздела сред создаётся электростатическое поле, которое за счёт спин-орбитального взаимодействия порождает эффективное магнитное поле, действующее на двигающийся электрон проводимости.
В 2016 году сотрудники лаборатории плёночных технологий создали трёхслойные поликристаллические плёнки состава рутений-кобальт-рутений (Ru/Co/Ru), толщина кобальтового магнитного слоя которых составляла меньше одного нанометра (четыре атомных слоя). В этих структурах возможна эффективная реализация механизма токоиндуцированного перемагничивания, который в настоящее время изучается в лаборатории. В том числе исследователи решают задачу уменьшения плотности тока, необходимого для перемагничивания, и подбирают параметры для минимизации структуры. Такие материалы могут найти широкое применение не только для создания энергонезависимой магнитной памяти и логики, но и в высокочувствительных датчиках, биомедицинских сенсорах, системах сверхбыстрой обработки информации и искусственного интеллекта.
Комментарии к статье
* Ферромагнетик — вещество, способное при температуре ниже точки Кюри обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля.
