Спины переписали память

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.

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.