Наномагниты самостоятельно собрались в спиновые элементы памяти

Физики из Китая и США предложили новый способ получения спиновых магнитных устройств памяти с размером ячейки менее 10 нанометров. Оказалось, что необходимые для таких устройств пленки из анизотропных магнитных частиц в диэлектрической матрице образуются в результате самосборки при магнетронном распылении. Магнитные свойства полученных устройств делают их перспективными элементами будущей энергонезависимой спинтроники, пишут ученые в Applied Physics Letters.

В спинтронных устройствах информация кодируется и хранится не в зарядах электронов, как в обычной электронике, а в их спинах. Одно из устройств, которое уже сейчас может использоваться в электронных устройствах, — магнитные элементы памяти с переносом спинового момента (spin transfer torque magnetic random access memory), в которых для изменения ориентации используется эффект туннельного магнетосопротивления. Единичный запоминающий элемент в таких ячейках — магнитная наночастица, магнитный момент которой ориентируется перпендикулярно плоскости устройства. От соседних частиц она отделена нанометровым изолирующим слоем, и кодирование информации происходит с использованием туннельного тока в этом диэлектрическом зазоре. Подробнее о спиновых элементах памяти и других спинтронных устройствах можно прочитать в нашем материале «Магнетизм электричества».

Магнитные элементы памяти с переносом спинового момента относятся к классу энергонезависимых запоминающих устройств, и позволяют производить запись быстро и с очень небольшими затратами энергии, при этом перезаписывать информацию в них можно практически бесконечное число раз. Одна из проблем при создании этих наноячеек памяти — поиск баланса между размерами устройства, устойчивостью по отношению к тепловым колебаниям и возможностью использования для перезаписи относительно низких плотностей тока.

Физики из Китая и США под руководством Луна Ю (Long You) из Хуачжунского университета науки и технологии обнаружили, что получать подобные ячейки памяти нужного размера можно из анизотропных магнитных наночастиц, которые образуют необходимую структуру за счет процессов самоорганизации. В качестве магнитных элементов ученые использовали анизотропные частицы из сплава железа и платины (FePt) диаметром в несколько нанометров. Для получения массивов из таких частиц, в диэлектрической матрице из оксида циркония ZrO₂ ученые использовали одновременное магнетронное распыление в вакууме сплава Fe₅₅Pt₄₅ и оксида циркония с потоком аргона при 520 градусах Цельсия.

В результате физикам удалось получить пленки из магнитных частиц с минимальным размером одной ячейки около 5 нанометров. Между собой частицы были разделены диэлектрическим слоем толщиной около 1 нанометра. Чтобы управлять намагниченностью наночастиц с помощью туннельного тока ученые использовали сканирующий туннельный микроскоп, для которого разработали специальный многослойный зонд, состоящий из двух магнитных и одного диэлектрического слоев. С помощью этого зонда можно было переключать направление спинового тока и менять при этом взаимную ориентацию соседних магнитных наночастиц

Коэрцитивная сила магнитных наночастиц в полученной пленке составила 23,2 килоэрстеда, а напряженность магнитного поля анизотропии вдоль оси тяжелого намагничивания — около 6 тесла. По словам авторов исследования, эти значения свидетельствуют о перспективности предложенного метода для создания спиновых устройств памяти, которые не требуют для хранения информации никаких источников энергии и могут использоваться спинтронных устройств со сверхнизким потреблением мощности. Кроме того, разработанный физиками зонд для исследования и управления этими пленками также может применяться в будущем.

Другой подход к созданию элементов спиновой магниторезистивной памяти для компьютеров — создание устройств с крайне высокой плотностью спинового тока. Например, нидерландские физики создали для этого рекордное по размерам устройство на основе ферромагнетика и сверхпроводника, которое также может использоваться при производстве магнитных датчиков или твердотельных аккумуляторов, не основанных на химических реакциях.

Александр Дубов