Оперативка с диском поженились

Японцы скрестили жёсткий диск с оперативной памятью

Устаревшая технология считывания и записи информации на магнитные носители, похоже, дождалась выхода на пенсию. Японские ученые стерли грань между жёстким 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 жёсткого диска не изменился.

Ферромагнетизм

одно из магнитных состояний кристаллических, как правило, веществ, характеризуемое параллельной ориентацией магнитных моментов атомных носителей магнетизма. Параллельная ориентация магнитных моментов устанавливается при температурах Т ниже критической Q (точка Кюри) и обусловлена положительным значением энергии межэлектронного обменного взаимодействия.

Проявления ферромагнетизма в монокристаллах и поликристаллах могут существенно различаться. В ферромагнитных монокристаллах наблюдается магнитная анизотропия – различие магнитных свойств по разным кристаллографическим направлениям. В поликристаллах с хаотическим распределением ориентаций кристаллических зрен анизотропия в среднем по образцу отсутствует, но при неоднородном распределении ориентаций она может наблюдаться (магнитная текстура).

Поскольку самопроизвольная намагниченность ферромагнетиков сохраняется до Т = Q, а в типичных ферромагнетиках температура может достигать ~ 10³ К, то kQ ~ 10^-13 эрг (k – постоянная Больцмана), это означает, что энергия взаимодействия, которая ответственна за существование ферромагнитного порядка атомных магнитных моментов в кристалле, тоже должна быть порядка 10^-13эрг на каждую пару соседних магнитно-активных атомов. Такое значение энергии может быть обусловлено только электрическим взаимодействием между электронами, ибо энергия магнитного взаимодействия электронов двух соседних атомов ферромагнетика не превышает, как правило, 10^-16 эрг, и поэтому может обеспечить температуру Кюри лишь ~ 1 К (такие ферромагнетики с т. н. дипольным магнитным взаимодействием тоже существуют). В общем случае магнитные взаимодействия в ферромагнетиках определяют их магнитную анизотропию. Классическая физика не могла объяснить, каким образом электрическое взаимодействие может привести к ферромагнетизму. Только квантовая механика позволила понять тесную внутреннюю связь между результирующим магнитным моментом системы электронов и их электростатическим взаимодействием, которое принято называть обменным взаимодействием.

Необходимым условием ферромагнетизма является наличие постоянных (независящих от внешнего магнитного поля) магнитных (спиновых или орбитальных, или обоих вместе) моментов электронных оболочек атомов ферромагнетиков. Это выполняется в кристаллах, построенных из атомов переходных элементов (атомов с недостроенными внутренними электронными слоями). Различают 4 основных случая:

1) металлические кристаллы (чистые металлы, сплавы и интерметаллические соединения) на основе переходных элементов с недостроенными d-cлоями (в первую очередь 3d-cлоем у элементов группы железа); 2) металлические кристаллы на основе переходных элементов с недостроенными f-cлоями (редкоземельные элементы с недостроенным 4f-cлоем); 3) неметаллические кристаллические соединения при наличии хотя бы одного компонента из переходных d- или f-элементов; 4) сильно разбавленные растворы атомов переходных d- или f-металлов в диамагнитной металлической матрице. Появление в этих четырх случаях атомного магнитного порядка обусловлено обменным взаимодействием.

В неметаллических веществах (случай 3) это взаимодействие чаще всего носит косвенный характер, при котором магнитный порядок электронов недостроенных d-или f-cлоев в ближайших соседних парамагнитных ионах устанавливается при активном участии электронов внешних замкнутых слоев магнитно-нейтральных ионов (например, O^2-, S^2-, Se^2- и т.п.), расположенных обычно между магнитно-активными ионами. Как правило, здесь возникает антиферромагнитный порядок, который приводит либо к компенсированному антиферромагнетизму, если в каждой элементарной ячейке кристалла суммарный магнитный момент всех ионов равен нулю, либо к ферримагнетизму – если этот суммарный момент не равен нулю. Возможны случаи, когда взаимодействие в неметаллических кристаллах носит ферромагнитный характер (все атомные магнитные моменты параллельны), например EuO, Eu₂SiO₄, CrBr₃и др.

Общим для кристаллов типа 1, 2, 4 является наличие в них системы коллективизированных электронов проводимости. Хотя в этих системах и существуют подмагничивающие обменные взаимодействия, но, как правило, магнитного порядка нет, а имеет место парамагнетизм паулевского типа, если он сам не подавлен более сильным диамагнетизмом ионной рештки. Если вс же магнитный порядок возникает, то в случаях 1, 2 и 4 он различен по своему происхождению. Во втором случае магнитно-активные 4f'-cлои имеют очень малый радиус по сравнению с параметром кристаллической рештки. Поэтому здесь невозможна прямая обменная связь даже у ближайших соседних ионов. Такая ситуация характерна и для четвртого случая. В обоих этих случаях обменная связь носит косвенный характер, осуществляют е электроны проводимости. В четвртом типе ферромагнетиков (в отличие от случаев 1, 2, 3) магнитный порядок не обязательно связан с кристаллическим атомным порядком. Часто эти ферромагнетики представляют собой в магнитном отношении аморфные системы с неупорядоченно распределнными по кристаллической рештке ионами, обладающими атомными магнитными моментами (т. н. спиновые стекла).

Наконец, в кристаллах 1-го типа электроны, принимающие участие в создании атомного магнитного порядка, состоят из бывших 3d- и 4s-электронов изолированных атомов. В отличие от 4f'-cлов редкоземельных ионов, имеющих очень малый радиус, более близкие к периферии 3d-электроны атомов группы Fe испытывают практически полную коллективизацию и совместно с 4s-электронами образуют общую систему электронов проводимости. Однако в отличие от нормальных (непереходных) металлов, эта система в d-металлах обладает гораздо большей плотностью энергетических уровней, что благоприятствует действию обменных сил и приводит к появлению намагниченного состояния в Fe, Со, Ni и в их многочисленных сплавах.

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 подаётся 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 несёт теперь информацию, отправляется в недра компьютера.

Что жёсткие 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.

Магнитная анизотропия

неодинаковость магнитных свойств тел по различным направлениям.

Причина магнитной анизотропии заключается в анизотропном характере магнитного взаимодействия между атомными носителями магнитного момента в веществах. В изотропных газах, жидкостях, поликристаллических
тврдых телах магнитная анизотропия в макромасштабе не проявляется. Напротив, в монокристаллах магнитная анизотропия приводит к большим наблюдаемым эффектам, например к различию величины магнитной восприимчивости парамагнетиков вдоль различных направлений в кристалле.

Особенно велика магнитная анизотропия в монокристаллах ферромагнетиков, где она проявляется в наличии осей лгкого намагничивания, вдоль которых направлены векторы самопроизвольной намагниченности J_s ферромагнитных доменов.

Мерой магнитной анизотропии для данного направления в кристалле является работа намагничивания внешнего магнитного поля, необходимая для поворота вектора J_s из положения вдоль оси наиболее лгкого намагничивания в новое положение вдоль внешнего поля.

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 удаётся «зацепить» магнитную анизотропию за электронную структуру материала.

Электронная структура

В физике твердого тела под электронной структурой понимают конфигурацию энергетических зон, описывающих возможные и недопустимые энергетические состояния электронов. Возникает эта структура из-за
дифракции электронов, проявляющих свойства электромагнитных волн, на периодической решетке кристаллической структуры твердого тела.

Известно, что электроны в атоме находятся на строго определенных орбиталях со строго определенной энергией. Если несколько атомов объединяются в молекулу то из совокупности атомных орбиталей
образуется такое же по количество молекулярных обриталдей, разделенных по энергии. Если же химическая связь образуется между большим числом атомов, как это бывает в кристаллах, то электронам становятся доступны (или недоступны) не определенные энергетические уровни, а целые энергетические зоны, образованные совокупностью большого числа атомных энергетических уровней. Эти зоны имеют определенную геометрию, а их параметры определяют электронные свойства 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, загрязнённый, или, как говорят учёные, «допированный» небольшой примесью марганца, которая и даёт 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 жёсткий диск, и быструю оперативную память, которая исчезает, как только вы выключаете свой компьютер. И в этом браке объединились лишь лучшие стороны двух партий.