Учёные Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) и Института Физики Китайской академии наук совместно разрабатывают новый механизм создания магнитной памяти. В его основе лежат принципы спин-орбитроники — новой области науки и техники, которая ориентирована на прорывные решения в сфере энергоэффективной электроники.
Спиновые системы более энергоэффективны, быстры и надежны, чем традиционные системы записи и хранения информации, такие как жёсткие магнитные диски (HDD), твердотельная память(SSD) и оперативная память (DRAM, SRAM). Уже получены положительные результаты экспериментов на основе фундаментальных исследований. Сейчас учёные работают над прототипом первого элемента магнитной памяти.
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 её сохранения.
Разрабатываемая память пригодится в отраслях, где используются компьютеры для расчётов: от центров обработки данных до автономных автомобилей и прогнозов погоды. В дальнейшем это откроет новые возможности для реализации аппаратных систем искусственного интеллекта и квантового компьютера.
Учёные ДВФУ разрабатывают магнитную память на принципах спин-орбитроники. То есть 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 заключается в исследовании магнитных материалов и создании элементной базы нового типа для энергоэффективной электроники.
«Многим известно, что электроника — это область науки и техники, в основе которой заложены такие понятия, как электрический заряд и взаимодействия 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 передаётся, 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)», — рассказывает один из авторов статьи, проректор по научной работе ДВФУ Александр Самардак.
При записи информации изменяется намагниченность материала, т. е. 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 (спинов) с электрическим током.
Это привело к открытию механизма переключения спинов за счёт 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.
В своей новой научной статье в авторитетном журнале учёные описали возможность осаждения многослойных магнитных пленок в присутствии внешнего магнитного поля, направленного в плоскости образца. Наличие такой особенности в сочетании 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.
Такие способы управления ориентации спина или намагниченности позволяют эффективно переключать биты с информацией, а также хранить и обрабатывать её. Именно к этому стремятся физики, которые занимаются передовой наноэлектроникой.
Разработка магнитной памяти происходит в лаборатории спин-орбитроники ДВФУ, которая была запущена по программе мегагрантов в рамках реализации нацпроекта «Наука и университеты» Минобрнауки России.
