Международная группа ученых из Дальневосточного федерального университета, Сахалинского государственного университета и научных центров Китая предложила решение, которое приближает создание энергонезависимой памяти нового поколения — SOT-MRAM (spin-orbit torque MRAM). Результаты работы опубликованы в научном журнале Applied Physics Letters.
Современные компьютеры, смартфоны и другая техника постоянно тормозят из-за того, что процессор работает намного быстрее, чем память. Новый тип памяти — SOT-MRAM (spin-orbit torque MRAM) — способен решить эту проблему. Он позволит записывать информацию в десятки раз быстрее, чем нынешние флеш-накопители, и при этом потреблять гораздо меньше энергии.
Однако до сих пор существовала серьезная техническая проблема: для переключения ячеек такой памяти требовалось внешнее магнитное поле, что сильно усложняло конструкцию устройств. Ученые нашли способ обойтись без него.
Исследователи использовали особую структуру из трех слоев: два магнитных слоя (один намагничен горизонтально, другой — вертикально) и сверхтонкую прослойку из вольфрама толщиной всего в 1 нанометр — это примерно в 100 тысяч раз тоньше человеческого волоса.
Оказалось, что даже такой тонкий слой вольфрама эффективно генерирует спиновый ток — особый поток электронов, который и переключает намагниченность. Эффективность преобразования электрического тока в спиновый составила около 15%, что сопоставимо с показателями гораздо более толстых слоев тяжелых металлов.
«Наше исследование показывает, что даже сверхтонкие слои тяжелых металлов — всего в несколько атомных слоев — могут быть эффективными источниками спинового тока. Это важно для практического производства, потому что чем тоньше слои, тем меньше токи записи, и меньше энергии требуется для переключения ячеек памяти. И, соответственно, тем компактнее может быть само устройство. Кроме того, мы впервые детально проанализировали, какую роль в этом процессе играет ферромагнитный слой. Оказалось, что при определенных условиях он может работать как самостоятельный источник спинового тока — это расширяет выбор материалов для будущих устройств и потенциально упрощает их производство», — отмечает Александр Давыденко, кандидат физико-математических наук, доцент Департамента общей и экспериментальной физики ДВФУ.
В обычной компьютерной памяти информация хранится в виде электрических зарядов. В новой памяти — в виде направления намагниченности крошечных участков материала, так называемых магнитных доменов. Переключить их можно с помощью электрического тока, который благодаря особым свойствам тяжелых металлов преобразуется в спиновый ток.
Главная сложность была в том, что для детерминированного переключения требовалось небольшое магнитное поле. Предложенная T-образная конфигурация, при которой один слой намагничен горизонтально, другой — вертикально, создает внутреннее эффективное поле, которое заменяет внешний магнит. В результате устройство становится проще, дешевле и надежнее.
Работа выполнена международным коллективом. Основная часть экспериментальных исследований проведена в Пекинской национальной лаборатории физики конденсированного состояния (Китай). Группа ученых из Дальневосточного федерального университета отвечала за анализ магнитных свойств и токоиндуцированных процессов перемагничивания полученных наноструктур. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (проект № 25-42-00083).
Полученные результаты — важный шаг на пути к созданию коммерчески доступной SOT-MRAM. В ближайших планах ученых — оптимизация материалов и структур для достижения еще более высоких характеристик, а также изучение возможности интеграции таких устройств в существующие технологические процессы производства микроэлектроники.
Напомним, все научные открытия возможны благодаря постоянно развивающейся инфраструктуре кампуса ДВФУ. В 2024 году по отдельному поручению президента России Владимира Путина Дальневосточный федеральный университет вошел в программу строительства кампусов мирового уровня в рамках национального проекта «Молодежь и дети». Вторая очередь кампуса ДВФУ будет включать новый комплекс общежитий на 4000 человек. По поручению президента в стране создается целая сеть современных кампусов. К 2030 году появится созвездие из 25 новых кампусов университетов. Работу по данному направлению ведет Правительство Российской Федерации и Минобрнауки России.
Информация предоставлена пресс-службой Дальневосточного федерального университета
Источник фото: aoo3771 / ru.123rf.com
