Магнитный бит перевернули за рекордное время

Jon Gorchon et al. / Nature Electronics
Физикам удалось создать магнитный бит, в котором направление
собственного магнитного момента меняется с помощью импульса спин-поляризованного
тока продолжительностью всего 6 пикосекунд. Ученые увидели столь быстрый
процесс с временным разрешением меньше чем в пикосекунду и продемонстрировали его энергоэффективность:
на переключение бита ушло лишь 50 пикоджоулей. В будущем подобные устройства могут
стать основой для сверхбыстрой и энергоэффективной памяти, а использованные
методы мониторинга столь быстрых спиновых процессов помогут лучше понять их
динамику. Статья опубликована
в журнале Nature Electronics.
Магнитная запись информации — все еще один из самых популярных способов хранения больших объемов данных, который еще недавно использовался в каждом компьютере с жестким диском. В последнем биты — это участки ферромагнетика, в которых ноль или единица соответствуют разным направлениям вектора намагниченности. Постепенно на смену магнитной памяти в виде HDD пришли более быстрые и надежные твердотельные накопители SSD, в которых нет магнитных битов и подвижных частей. Но это не значит, что потенциал магнитной записи исчерпан.
Сейчас особый интерес представляют так называемые спинтронные устройства, в которых магнитная запись информации реализуется с помощью воздействия на ферромагнетик спин-поляризованным током. Обусловлено это тем, что, на первый взгляд, максимальная скорость записи магнитной информации ограничена частотой ферромагнитного резонанса (с периодом порядка наносекунды). В реальности же, согласно уравнению Ландау — Лифшица — Гильберта, которое описывает переворот магнитного момента под действием внешнего магнитного поля, при воздействии на магнитный момент особо сильным полем можно добиться его более быстрого переворота. Именно это поле и в состоянии быстро генерировать спинтронные устройства за счет импульса тока, в котором спины всех участвующих в движении электронов сонаправлены.
Применение принципов спинтроники можно увидеть, к примеру, в уже выпускаемой магниторезистивной оперативной памяти с записью данных с помощью переноса спинового момента (STT-MRAM). В таких устройствах используется два магнитных слоя: первый поляризует подаваемый ток, а второй (более мягкий с точки зрения магнитных свойств) ориентирует свой магнитный момент под действием этого уже поляризованного тока. Отделяет их друг от друга тонкий слой оксида, позволяющий записывать и считывать информацию посредством эффекта туннельного магнетосопротивления. Хоть в лабораторных условиях SST-переключатели и записывали информацию под воздействием импульсов тока продолжительностью всего 50 пикосекунд, на практике короткие импульсы токов с высокой плотностью заряда просто разрушили бы барьер между двумя ферромагнетиками. Поэтому скорость записи информации в подобных устройствах все еще ограничивается наносекундами.
Понимание спиновой динамики в подобных магнитных процессах и правда очень полезно: недавно физики измерили нутацию спина в ферромагнетиках и показали, что с ее учетом можно увеличить скорость и энергоэффективность магнитной записи информации. Но кроме скорости и энергоэффективности ученым хочется добиться и высокой плотности записи данных. К примеру, ранее физики придумали, как записать сразу два бита во всего лишь одном атоме.
Никита Козырев