Новый способ оценки локальной намагниченности разработали в ДВФУ

Учёные Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) в сотрудничестве с коллегами из Южно-Уральского государственного университета и Китайской академии наук разработали альтернативный способ численной оценки действия тока на локальную намагниченность в ультратонких пленках состава рутений-кобальт-рутений с добавлением вольфрама. Таким образом, сделан ещё один шаг к пониманию принципов управления ориентацией спинов для правильной работы устройств электроники нового типа — спинтроники. Результаты фундаментального исследования опубликованы в Physical Review Applied.

Разработка эффективного способа контроля локальной намагниченности (ориентации спинов) остаётся ключевой нерешенной задачей спинтроники и важным направлением в её развитии наряду с проблемами высокой плотности тока и необходимостью воздействия на систему внешним магнитным полем.

В результате исследования учёным удалось показать, что можно в широком диапазоне менять магнитные параметры системы, манипулируя толщиной слоя каждого из материалов. В исследованной системе рутений-кобальт-рутений эффект воздействия тока на намагниченность оказался мал. Однако при добавлении к системе слоя вольфрама появился дополнительный источник спин-поляризованных электронов. Эффективность переключения спинов таким образом повышается.

Исследования учёных направлены на то, чтобы в будущем стало возможно создать элементы энергонезависимой магнитной памяти и логики, высокочувствительные сенсоры, системы сверхбыстрой обработки информации и искусственного интеллекта, работающие на новых принципах.

«Сейчас такие устройства работают на полупроводниках, в которых все процессы обусловлены перемещением электронов. В ячейках памяти накопление электронов даёт возможность хранить информацию. Однако если электроны по какой-то причине будут потеряны, вместе с ними будет потеряна информация», — уточнил научный сотрудник Лаборатории пленочных технологий Школы естественных наук, кандидат физико-математических наук Максим Стеблий.

При использовании магнитных материалов подход к обработке и хранению информации качественно отличный, уточнил научный сотрудник. Каждому элементу объема магнитного материала можно сопоставить стрелочку компаса — магнитный момент. Суть операции в магнитном материале заключается в том, что нужно изменить ориентацию этой стрелочки. При этом сами электроны, обуславливающие намагниченность, остаются на месте, а чтобы изменить ориентацию их стрелок (спинов) требуется значительное внешнее воздействие, что делает их состояние устойчивым и в этом смысле энергонезависимым. Так переключается бит в компьютере с ноля на единицу. В жёстком диске происходит похожий процесс.

«Большое технологическое неудобство в том, что для работы жёсткого диска нужна небольшая катушка, через которую пропускается ток и генерируется магнитное поле. Чтобы переключить один бит, нужно очень быстро изменить ориентацию тока в катушке. Это относительно долго и энергозатратно, но самое главное, что эта операция не может быть распределена, поскольку катушка всего одна, а информации может быть терабайт, то есть 1013. Отсюда высокая скорость вращения диска, так как катушку необходимо подвести к каждому его участку. Проблема работы с магнетиками в том, что сейчас невозможно контролировать изменения ориентации стрелочки удобным и быстрым способом», — подчеркнул Максим Стеблий.

Учёный рассказал, что в последние годы появилась технология, которая позволяет переключить «стрелочку» компаса с помощью подведения тока не к катушке, а к самой структуре. При этом спины электронов, локализованных в кристаллической решётке структуры, имеющие устойчивую ориентацию стрелочки, начинают взаимодействовать со спинами электронов проводимости, то есть подведённого тока.

«Если мы каким-то образом „расчешем“, то есть, поляризуем хаотично ориентированные спины электронов тока проводимости, выстроим их в одном направлении, то спины локализованных электронов это почувствуют и при некоторых условиях переключатся, — заявил научный сотрудник. — Наша статья посвящена структуре, содержащей слой рутения и вольфрама. При протекании тока через эти слои спины электронов поляризуются сами собой по правовинтовой системе. Это называется спиновый эффект Холла».

На слой вольфрама исследователи положили слой кобальта и пропустили через систему ток. При необходимых условиях это может привести к тому, что намагниченность слоя кобальта переключается. Это и есть так называемый spin-torque эффект, результативность которого учёные из ДВФУ стараются изучить на примере разных материалов, подбирая системы, где он наиболее действенен.

Работа была поддержана грантами Президента Российской федерации, Российского фонда фундаментальных исследований (No. 18-32-00867, No. 18-52-53038), Министерства образования и науки РФ No. 3.5178.2017/8.9, No. 3.4956.2017, Постановлением № 211 правительства РФ контракт No. 02.A03.21.0011.

Пресс-служба ДВФУ,
press@dvfu.ru