Магнитный бит перевернули за рекордное время

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.

Решить эту проблему могли бы SOT-устройства (в рамках SOT-MRAM на их основе), в которых запись данных происходит с помощью спин-орбитального вращательного момента. В их основе лежат два явления, встречающиеся в проводнике с током: спиновый эффект Холла, в котором электроны с антипараллельными направлениями спина отклоняются под действием внешнего магнитного поля, и эффект Рашбы — Эдельштейна, в котором за счет спин-орбитального взаимодействия в токе происходит аккумуляция спиновых моментов электронов. В результате на соседствующий с проводником ферромагнетик действует индуцированное магнитное поле со стороны спинового тока в проводнике, которое можно использовать для смены направления его собственного магнитного момента. Подробнее об особенностях и преимуществах SOT-устройств можно почитать в данном обзоре. 

Теперь же Джон Горчон (Jon Gorchon) из университета Лотарингии поставил рекорд по скорости работы SOT-устройства: его группе удалось достигнуть смены направления магнитного момента ферромагнетика под действием тока продолжительностью всего 6 пикосекунд. Сам импульс генерировали с помощью фотопереключателя, на который светили фемтосекундным лазером с длиной волны 800 нанометров. Так физикам удалось достигнуть пиковой плотности тока в 6 × 10¹² ампер на квадратный метр, которой было достаточно для смены направления магнитного момента ферромагнитного образца за такой короткий промежуток времени. Направление и напряженность внешнего магнитного поля, в свою очередь, позволяли регулировать конечное состояние магнитного момента ферромагнетика и величину эффекта.

Для наблюдения за направлением магнитного момента ферромагнетика в процессе переключения ученые использовали магнитооптический эффект Керра: по отраженным от ферромагнетика импульсам излучения лазера продолжительностью 250 фемтосекунд Джон и коллеги могли изучать динамику магнитного поля в SOT-устройстве. Оказалось, что переключение магнитного момента образца происходит с вероятностью в 91 процент, а релаксация ферромагнетика за счет термических эффектов занимает 350 пикосекунд. Регистрируя импульс тока после прохождения через SOT-устройства, с учетом знания о загружаемой в систему энергии физики могли понять, сколько энергии тратится на намагничивание образца. Измерения показали, что на это уходит лишь 50 пикоджоулей, что крайне мало для установок со столь высокой плотностью тока.

Скорость и энергоэффективность такого SOT-устройства дает надежду на то, что в будущем подобная технология позволит создать память, которая бы существенно превосходила существующие аналоги по этим показателям. Авторы говорят и о том, что для оптимизации подобной записи данных нужно лучшее понимание происходящих в ней спиновых процессов. Сами ученые же делали акцент на реализацию концепта столь быстрой записи данных, а уже в дальнейшем изучении явления могут использоваться предложенные методы мониторинга столь быстро изменяющихся систем.

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