Содержание |
Как известно, в микроэлектронной индустрии главным носителем информации является электрон. Спин-орбитроника (миниатюрная электроника) основана на передаче спинового магнитного момента, что требует гораздо меньше энергии, чем при переносе электрического заряда.[1]
2021: Открыт сверхбыстрый способ управления данными
24 декабря 2021 года ученые МФТИ сообщили о том, что открыт сверхбыстрый способ управления данными.
Как сообщалось, увеличением объема сохраняемой информации возникает необходимость в разработке других способов и технологий для энергоэффективной и быстрой обработки и хранения данных. Решающую роль в процессе записи магнитных битов играет взаимодействие элементарных магнитных моментов электронов (спинов) с решеткой. Исследователи из Нидерландов вместе с учеными из России обнаружили механизм включения и выключения спин-решеточного взаимодействия, управляемый ультракороткими импульсами света терагерцевой частоты. Результаты опубликованы в научной статье «Связь антиферромагнитных спинов с решеткой, управляемая терагерцовым светом» в мировом научном журнале Science.
Антиферромагнитные магноны могут использоваться как носители данных в магнитном материале и заменить традиционные элементы электроники. В отличие от электронов, такие спиновые волны практически не взаимодействуют с решеткой и поэтому могут без рассеяния распространяться на микроскопические расстояния. В то же время слабое взаимодействие затрудняет управление распространением спиновых волн. Проведенное группой ученых из Нидерландов и России исследование показало, что взаимодействием можно управлять с помощью света.
 | Интуитивно можно было бы поверить, что взаимодействие спинов с решеткой является свойством конкретного материала и вряд ли может быть изменено. Мы показали, что взаимодействием можно управлять с помощью света. Это означает, что мы открыли способ управления распространением спиновых волн и тем самым сделали важный шаг к другой технологии обработки данных в будущем. поведал Евгений Машкович, первый автор статьи |  |
| | Оптимизация спин-решеточного взаимодействия в квантовых материалах — одна из основных задач при создании магнитных систем хранения данных. Оно определяет как скорость, так и энергоэффективность записи магнитных битов. Мы обнаружили, что терагерцовый импульс резонансно взаимодействует с магноном в антиферромагнетике дифториде кобальта (CoF2). Такой же подход к управлению спин-решеточной связью с помощью терагерцового света должен работать и в других магнитных материалах. рассказал Анатолий Звездин, профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории физики магнитных гетероструктур и спинтроники МФТИ, главный научный сотрудник Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН | |
Исследователи полагают, что эта технология поможет решить проблемы магнитного хранения данных и обеспечить сверхбыструю запись при минимальных затратах энергии.Метавселенная ВДНХ 
В работе принимали участие ученые из Института молекул и материалов (IMM) Университета Радбауд (Нидерланды), Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, Института физики II, Кельнского университета (Германия), МИРЭА — Российского технологического университета и Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН.
2020: В ДВФУ разрабатывают подход для создания миниатюрной электроники будущего
24 августа 2020 года стало известно о том, что ученые Школы естественных наук Дальневосточного федерального университета (ШЕН ДВФУ) вместе с коллегами из России, Южной Кореи и Австралии предложили метод управления спин-электронными свойствами и функциональностью тонкопленочных магнитных наносистем. Открытие важно для создания следующего поколения миниатюрной электроники (спин-орбитроники) и компьютерной памяти. Статья опубликована в NPG Asia Materials. Ученые из лаборатории пленочных технологий ШЕН ДВФУ предлагают управлять функциональностью магнитной наносистемы, построенной по принципу сэндвича, через поверхностные шероховатости магнитной пленки, зажатой между слоем тяжелого металла и покрывающим слоем.
Как пояснялось, варьируя амплитуду шероховатостей на нижней и верхней поверхностях (интерфейсах) магнитной пленки в диапазоне менее нанометра, что сравнимо с размерами атомов, исследователи смогли максимизировать полезные спин-электронные эффекты, важные для работы электроники будущего. Установлено, что для этого на нижнем и верхнем интерфейсе магнитной пленки шероховатости должны повторять друг друга.
Работоспособность подхода впервые продемонстрировали на примере магнитной системы, состоящей из слоя палладия (Pd) толщиной в диапазоне от 0 до 12 нанометров (нм), покрытого слоем платины толщиной 2 нм и ферромагнетика (сплав CoFeSiB) толщиной 1,5 нм. Многослойную структуру накрывали слоем из оксида магния (MgO), тантала (Ta) либо рутения (Ru) — разные материалы-«крышки» позволяют расширить возможности по управлению магнитными свойствами наносистемы.
| | В современной электронике размеры транзисторов все время уменьшаются. При этом на август 2020 года общий тренд развития направлен на получение атомарно-гладких бездефектных поверхностей. Однако, было бы большой ошибкой стремиться к идеальным интерфейсам, потому что много физических эффектов лежат за пределами атомарного упорядочения и идеально плоских поверхностей. С уменьшением функциональных элементов электроники роль поверхностных шероховатостей очень сильно возрастает. Во многом благодаря развитию аналитического оборудования, мы только начали глубоко проникать в природу обнаруженных явлений и понимать роль шероховатостей и атомарного перемешивания на интерфейсах. Главный посыл нашего исследования заключается в том, что атомарные шероховатости можно использовать во благо для реализации спин-орбитронных устройств с улучшенными свойствами. рассказал Александр Самардак, автор идеи исследования, доктор физико-математических наук, проректор ДВФУ по научной работе | |
Ученый рассказал, что последние пять лет в мире активно развивается область физики, спин-орбитроника. Она изучает не просто спин электрона (собственный момент импульса электрона - квантовое свойство, не связанное с движением (перемещением или вращением) электрона как целого), а спин-орбитальное взаимодействие. Такое взаимодействие возникает между электроном, вращающимся по орбите вокруг атомного ядра и создающим магнитное поле, и его собственным магнитным моментом, который обусловлен спином электрона.
Преимущество спин-орбитроники в том, что функциональность создаваемых устройств (например, магнитной памяти) обеспечивается непосредственно через управление спин-орбитальным взаимодействием в составляющих их наноматериалах, например, в тяжелых металлах.
Достаточно сильным спин-орбитальным взаимодействием обладают тяжелые металлы платиновой группы (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt). Если один из таких металлов привести в контакт с тонкой толщиной в несколько атомных слоев, магнитной пленкой (например, Co, Ni, Fe, Py), можно радикально поменять электронные и магнитные свойства системы.
| | Во-первых, можно управлять намагниченностью, получая наносистемы, намагниченные перпендикулярно плоскости пленки — так делают в современных жестких дисках и разрабатываемых носителях следующего поколения, чтобы повысить плотность хранения информации, увеличить скорость записи/чтения данных и количество циклов перезаписи. Во-вторых, сильное спин-орбитальное взаимодействие в тяжелом металле приводит к «деформации» электронных орбиталей атомов магнитного материала (пленки), в результате возникают спиновые эффекты, такие как магнитное затухание и интерфейсное взаимодействие Дзялошинского-Мория, появляющееся на границе тяжелого металла и покрывающего его магнитного слоя. Это антисимметричное взаимодействие ведет к трансформации ферромагнитного порядка и появлению нетривиальных спиновых текстур, таких как скирмионы и скирмиониумы. Такие спиновые текстуры имеют громадный потенциал для электроники будущего, играя роль энергонезависимых носителей информации. Например, на их основе можно делать компоненты компьютерной памяти, которые будут работать без магнитных головок, а биты в них будут переключаться токовыми импульсами за счет «переворота» спинов электронов. Такие устройства будут работать на скоростях передачи битов до нескольких км/с под действием только электрического тока и вмещать на порядок больше данных. дополнил Александр Самардак, автор идеи исследования, доктор физико-математических наук, проректор ДВФУ по научной работе | |
Для эксперимента методом молекулярно-лучевой эпитаксии исследователи вырастили серию палладиевых пленок с монокристаллической структурой, Рис.1(a). Ученые обнаружили, что шероховатая поверхность пленок Pd может быть описана синусоидальной функцией. Изменяя толщину пленок Pd в диапазоне от 0 до 12,6 нм, им удалось управлять амплитудой и периодом шероховатостей в диапазоне от 0 до 2 нм и от 0 до 50 нм соответственно. После этого магнетронным напылением в вакууме на поверхность палладия нанесли тонкие пленки платины и магнитного сплава Pt(2 нм)/CoFeSiB (1,5 нм) и покрыли их разными материалами (оксидом магния, танталом, рутением), Рис.1(b). Материал «крышки» сильно влиял на магнитную анизотропию, в то время как влияние на взаимодействие Дзялошинского-Мория было не таким значительным. При этом наносимые слои Pt и CoFeSiB повторяли морфологию поверхности Pd.
В итоге исследователи обнаружили, что, не изменяя состава магнитной системы, а только варьируя поверхностные шероховатости в суб-нанометровом диапазоне путем изменения толщины слоя Pd, можно менять ее функциональные свойства. Например, величина взаимодействия Дзялошинского-Мория повышалась в 2,5 раза при толщине слоя Pd в 10 нм. Именно при этой толщине шероховатости нижнего и верхнего интерфейсов магнитной пленки были максимально скоррелированы.
По словам Александра Самардака, исследование заняло около четырех лет, еще год потребовался для публикации статьи в престижном журнале издательства Nature. Рецензенты долго не могли поверить в возможности управления спин-орбитальными свойствами путем модулирования шероховатостей. В ходе переписки авторам удалось убедить рецензентов и отстоять свою точку зрения. На август 2020 года идет подготовка образцов совместно с зарубежными партнерами для изучения влияния шероховатостей интерфейсов на спиновый эффект Холла и эффект передачи спин-орбитального крутящего момента импульса, что позволит вплотную подойти к реализации ячеек памяти, магнитный момент которых переключается только электрическим током.
Работа выполнена в рамках Государственного задания № 0657-2020-0013 Минобрнауки России «Многофункциональные магнитные наноструктуры для спинтроники и биомедицины: синтез, структурные, магнитные, магнито-оптические и транспортные свойства».
Ученые ДВФУ на август 2020 года ведут фундаментальные исследования и практические разработки по приоритетным направлениям Стратегии научно-технологического развития РФ, включая такое направление, как виды материалов, которые необходимы для перехода к технологиям будущего.
Смотрите также
- Электронная промышленность (рынок России)
- Микроэлектроника (мировой рынок)
- Радиорелейная связь (мировой рынок)
Примечания
