Спины переписали память

Ученые сумели использовать чистый спиновый ток

Запись битов на магнитные диски до сих пор производится с помощью электромагнитного поля, на что нужно затрачивать немало энергии. Японцы впервые сумели перемагнитить сектор с помощью чистого потока электронных спинов. Секрет успеха – технология производства спинового вентиля.

Возможность контролировать намагниченность ферромагнитного вещества с помощью внешнего электромагнитного поля дала старт развитию информационного общества. Сейчас это же общество страдает от ставшей архаичной и весьма энергозатратной технологии, которую пока нечем заменить.

Намагниченность сектора жёсткого диска и любого другого подобного устройства, как и прежде, меняют с помощью электромагнитной головки, поле которой возбуждается переменным электрическим током. Эта технология требует быстрого вращения магнитного диска, прецизионного контроля положения головки и так далее.

Но главное – на возбуждение электротока тратится очень много энергии.

Расточительность стандартного метода трудно оценить, работая за столом персонального компьютера. Но мировоззрение переменится сразу после посещения серверной комнаты какого-нибудь крупного коммерческого банка, а чтобы получить впечатлений на всю оставшуюся жизнь, достаточно несколько минут постоять возле дискового массива суперкомпьютера. В шуме вращающихся дисков и вентиляторов охлаждающих систем становится понятно, сколько энергии тратится на такую работу.

Оперативка с диском поженились

Устаревшая технология считывания и записи информации на магнитные носители, похоже, дождалась выхода на пенсию. Японские ученые стерли грань между жстким диском и оперативной памятью, научившись управлять намагниченностью ферромагнетиков простым приложением напряжения – без электрического тока.

Технический прогресс в области цифрового оборудования простому пользователю, наверное, стал привычен и едва ли не скучен. Новые технологические решения появляются ежеквартально, и если еще десять лет назад сотовая связь была в диковинку и москвичам, и гостям столицы, то сегодня отсутствие мобильного доступа во всемирную сеть по высокоскоростному беспроводному каналу в какой-нибудь непролазной глуши воспринимается, как вопиющая лень оператора связи.

В то же время устройство постоянной энергонезависимой памяти, жесткий диск, за последние десятилетия хоть и прибавил существенно в емкости, по сути, остался тем же самым старым добрым винчестером. И хотя технические и даже научные новинки продолжают находить применение в этой консервативной области компьютерной техники (некоторые из них, как показал опыт прошлого года, даже заслуживают Нобелевской премии), принцип работы жсткого диска не изменился.

Информация записывается и считывается с него по технологии, разработанной IBM еще на заре эры персональных компьютеров. Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе). При записи на катушку головки податся электрический ток, возникающее магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и поворачивает магнитные моменты отдельных участков (так называемых доменов) вещества в нужном направлении. Это изменяет направление вектора намагниченности всей магнитной частицы, в котором и «зашифровывается» информация.

При считывании движение намагниченных частиц у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе, что рождает переменный электрический сигнал в катушке из-за эффекта электромагнитной индукции Фарадея; электрический сигнал, который и нест теперь информацию, отправляется в недра компьютера.

Что жсткие диски пора списывать, очевидно всем.

Они, как и прежде, греются, шумят и потребляют много электроэнергии – гораздо больше, чем требуется для изменения намагниченности секторов. Однако заменить технологию нечем. И хотя некоторые компании предпринимают попытки отказаться от винчестеров в пользу flash-памяти, у последней есть один существенный недостаток при всех достоинствах – ограниченность количества циклов перезаписи информации. Жесткий диск же, попадая в добрые руки, не ломается и спустя десятки лет. Да и по цене flash-память пока с винчестерами конкурировать не может.

Главный недостаток технологии жесткого диска заключается в необходимости использования промежуточного магнитного поля для изменения намагниченности ферромагнитного сектора.

Сотрудникам Института электрической связи при Университете Тохоку удалось использовать электрическое поле напрямую.

Профессор Хидео Оно, заведующий Лабораторией наноэлектроники и спинтроники института, показал, как управлять намагниченностью ферромагнитного полупроводникового материала с помощью изменения его электронной структуры. Статья Оно и его коллег опубликована в последнем номере Nature.

Долгое время ученые пытались приспособить для непосредственного контроля намагниченности ферромагнитного сектора так называемый спин-поляризованный ток электронов – то есть поток электронов, подготовленных таким образом, чтобы их внутренние (спиновые) моменты вращения все были выстроены в одном направлении. По современным представлениям, такой ток должен влиять на магнитный момент ферромагнетика через обменное взаимодействие со спинами электронов. Добиться этого так и не удалось, хотя технология даже успела получить свое собственное коммерческой название – STT-RAM (Spin Torque Transfer RAM) – оперативная память с передачей спинового вращательного момента.

Японцы научились контролировать магнитную анизотропию ферромагнитного монокристалла – разницу в его намагниченности вдоль разных кристаллографических осей. Если отбросить всякие квантовые тонкости, можно считать, что намагниченность определяется движением электронов по орбите вокруг атомного ядра. По сути, это такие маленькие электромагнитики из одного витка с током, непрерывно бегущим по орбите. Когда эти маленькие магниты ориентированы, как попало, результирующее поле равно нулю, а когда выстраиваются в одном направлении, как раз и возникает намагниченность.

Идея японцев в том, чтобы контролировать орбитальный момент вращения («ориентацию магнитика») через его взаимодействие с внутренним, так называемым спиновым моментом электрона. Это так называемое спин-орбитальное взаимодействие, благодаря которому энергия электрона зависит от намагниченности – и наоборот. Характер этой зависимости определяется уже электронной структурой материала – конфигурацией и плотностью распределения электронов в объеме ферромагнетика.

Таким образом и удатся «зацепить» магнитную анизотропию за электронную структуру материала.

Управлять же электронной структурой материала инженеры научились достаточно давно. Оно для этого создал стандартное устройство – трехслойную гетероструктуру металл–диэлектрик–полупроводник. В качестве полупроводника был выбран арсенид галлия, загрязннный, или, как говорят учные, «допированный» небольшой примесью марганца, которая и дат ему полупроводниковые свойства. Этот материал обладает хорошими ферромагнитными свойствами при низких температурах.

Приложение отрицательного электрического напряжения к слою металла в гетероструктуре вызывает перестройку носителей заряда в полупроводнике-ферромагнетике: носители положительного заряда – так называемые дырки, то есть позиции, где могли бы быть электроны, но их нет – притягиваются к электроду. Если же обратить напряжение, концентрация дырок возле слоя диэлектрика, разделяющего металлический электрод и полупроводник, окажется сниженной.

Таким способом в работе Оно и меняется электронная структура магнитного материала, что приводит и к заметным изменениям магнитной анизотропии. Оно и его коллегам удалось показать, что изменение напряжения на управляющем металлическом электроде гетероструктуры с –12В до 9В вызывает отклонение вектора намагниченности на 10 градусов. Так осуществляется запись.

Чтобы считать информацию, нужно пропустить через полупроводниковый ферромагнетик небольшой ток. Изменение магнитной анизотропии приводит к изменению напряжения на обкладках полупроводника.

Метод записи, предложенный японскими учеными, не требует наличия электрического тока через ферромагнетик. Его намагниченность можно менять, просто прикладывая напряжение.

Таким образом, метод легко совместим с технологиями современной микроэлектроники и, возможно, уже скоро сможет быть коммерциализован.

По сути, метод Оно позволяет «поженить» два, казалось бы, принципиально разных устройства – энергонезависимую, но медленную память, которую хранит жсткий диск, и быструю оперативную память, которая исчезает, как только вы выключаете свой компьютер. И в этом браке объединились лишь лучшие стороны двух партий.

О способе контролировать намагниченность без тока, с помощью одной лишь разности потенциалов, «Газета.Ru» писала всего неделю назад. Однако и этого учёным кажется мало.

Намагниченность – свойство вещества, зависящее от фундаментальной характеристики электрона – его спина, или внутреннего момента вращения, а потому в идеале контролировать намагниченность можно с помощью так называемых спиновых токов – потоков электронов, имеющих одинаково ориентированные спины, которые будут передавать свой момент вращения и, как следствие, направление поля нужному сектору магнитного диска.

В статье, принятой к публикации в Nature Physics, японские

ученые показали, как можно получить достаточно высокие спиновые токи для переключения намагниченности ферромагнитных секторов.

Генерировать спиновый ток можно различными способами. Поначалу ученые пользовались тем, что спин электрона неотделим от другого его фундаментального свойства – заряда. Вызывать движение зарядов – проще говоря, электрический ток – человечество умеет уже не одно столетие. Чтобы электрический ток стал спиновым, достаточно просто пропустить его через проводящий ферромагнетик, внутреннее магнитное поле которого выстроит спины электронов вдоль собственного вектора намагниченности. Этот процесс называется инжекцией спин-поляризованных (то есть выстроенных спинами в одну сторону) электронов в проводник.

Измерить такой спиновый ток помогает еще один электропроводящий ферромагнетик, расположенный на другом конце проводника, – электрический ток через него заметно возрастает, если ориентация спинов движущихся в проводнике электронов совпадает с вектором намагниченности детектора.

Но такой ток нельзя считать чисто спиновым – он возбуждается электрической разностью потенциалов, а потому является спиново-зарядовым.

Для изменения же намагниченности ферромагнетика достаточно просто потока электронов с параллельными спинами. Чтобы экономить энергию, нужно уметь возбуждать такой ток, не увязывая его с электрическим.

Например, можно использовать способность электронов к диффузии в объеме проводника. Для этого физики научились конструировать так называемый спиновый клапан с боковой инжекцией (lateral spin valve). В таком устройстве электроны с поляризованными спинами также впрыскиваются в проводник под действием электрического напряжения. Однако инжектор расположен не в теле проводника, а на одной из его боковых граней.

В проводнике и так полно свободных электронов, которые способны занять место впрыснутых в дальнейшем течении тока. Неполяризованные электроны отправляются дальше, а рядом с точкой впрыска возникает избыточное число частиц с ориентированными в одну сторону спинами. Эти электроны оказываются предоставленными самим себе и начинают диффундировать по всем возможным направлениям вдоль проводника – в том числе и в направлении детектора. На выходе из него получается спиновый ток, не связанный с электрическим.

Проблема такого подхода заключается в низкой эффективности инжекции, не позволявшей до сих пор получать достаточно большие спиновые токи. Причина её в том, что до сих пор конструкция спинового вентиля требовала нескольких раздельных микроэлектронных процедур, в результате чего граница раздела фаз между немагнитными проводниками и ферромагнитным спиновым фильтром и детектором оказывалась либо загрязнена микропримесями, либо частично окислена.

Японские ученые во главе с профессором Осисикой Отани из Института физики твердого тела при Токийском университете сумели впервые нанести все компоненты спинового вентиля в условиях одного и того же вакуума.

Рабочим немагнитным проводником в их эксперименте является медь, электродами инжектора спин-поляризованных электронов и их детектора послужило золото, а в качестве, собственно, спинового фильтра и детектора был использован сплав под названием пермаллой на основе никеля и железа (Ni₈₁Fe₁₉). Подложкой для устройства послужила заранее вырезанная с помощью травления электронным пучком форма из полимера полиметилметакрилата.

Благодаря тому, что медь, пермаллой и золото наносились друг на друга сразу в одном и том же вакууме, ученым удалось получить невероятно чистую фазовую границу между узлами спинового клапана, что и определило высокий результирующий спиновый ток.

Величина такого тока характеризуется разницей сопротивления устройства для параллельной и антипараллельной ориентаций инжектора и детектора. Грубо говоря, это выигрыш в напряжении (и, как следствие, мощности) на единицу электрического тока, который можно пустить на создание спинового тока. Для устройства Отани величина этой разницы составила от 8 до 21 мОм при температуре 10 К. Это на порядок выше, чем предыдущие рекорды. И даже при комнатной температуре устройство Отани работает в несколько раз эффективнее, чем его криогенные предшественники.

Уменьшив толщину детектора и инжектора до четырех нанометров, ученые смогли обратить намагниченность детектора, находящегося на расстоянии 270 нм от инжектора.

Утончение инжектора привело к некоторому снижению спинового тока, однако его оказалось достаточно, чтобы перемагнитить утонченный детектор.

Повлечет ли за собой разработка японцев новый этап развития запоминающих устройств, и станут ли коммерчески доступными устройства со спиновой записью, мы сможем узнать уже в ближайшее время – в компьютерных магазинах.