Когда вы сохраняете изображение на свой смартфон, эти данные записываются на крошечные транзисторы, которые электрически включаются или выключаются в виде «битов» для представления и кодирования этого изображения. Большинство транзисторов сегодня сделано из кремния, элемента, который ученым удалось переключать во все меньших масштабах, что позволяет упаковывать миллиарды битов и, следовательно, большие библиотеки изображений и других файлов в один чип памяти.
Но растущий спрос на данные и средства их хранения побуждает ученых искать не только кремний, но и материалы, которые могут подтолкнуть запоминающие устройства к более высокой плотности, скорости и безопасности.
Физики Массачусетского технологического института показали предварительные доказательства того, что данные могут храниться в виде более быстрых, плотных и надежных битов, сделанных из антиферромагнетиков.
Антиферромагнетики, или материалы АСМ, являются менее известными родственниками ферромагнетиков или обычных магнитных материалов. Там, где электроны в ферромагнетиках вращаются синхронно — свойство, которое позволяет стрелке компаса указывать на север, коллективно следуя за магнитным полем Земли — электроны в антиферромагнетике предпочитают вращение, противоположное их соседу, в «анти-выравнивании», которое эффективно гасит намагниченность даже при мельчайшие весы.
Отсутствие суммарной намагниченности в антиферромагнетике делает его непроницаемым для любого внешнего магнитного поля. Если бы они были превращены в устройства памяти, антиферромагнитные биты могли бы защитить любые закодированные данные от магнитного стирания. Они также могут быть выполнены в виде транзисторов меньшего размера и упакованы в большем количестве на кристалл, чем традиционный кремний.
Теперь команда Массачусетского технологического института обнаружила, что добавляя дополнительные электроны в антиферромагнитный материал, они могут включать и выключать его коллективное сглаживание контролируемым образом. Они обнаружили, что этот магнитный переход обратим и достаточно резкий, похожий на переключение состояния транзистора с 0 на 1. Результаты, опубликованные сегодня в Physical Review Letters, демонстрируют потенциальный новый путь использования антиферромагнетиков в качестве цифрового переключателя.
«Память AFM может позволить увеличить емкость хранения данных на существующих устройствах — тот же объем, но больше данных», — говорит ведущий автор исследования Риккардо Комин, доцент физики Массачусетского технологического института.
Магнитная память
Чтобы улучшить хранение данных, некоторые исследователи обращаются к MRAM или магниторезистивной RAM, типу системы памяти, которая хранит данные в виде битов, сделанных из обычных магнитных материалов. В принципе, устройство MRAM будет состоять из миллиардов магнитных битов. Для кодирования данных направление локального магнитного домена в устройстве меняется, аналогично переключению транзистора с 0 на 1.
Системы MRAM потенциально могут читать и записывать данные быстрее, чем кремниевые устройства, и могут работать с меньшим энергопотреблением. Но они также могут быть уязвимы для внешних магнитных полей.
«Система в целом следует за магнитным полем, как подсолнух следует за солнцем, поэтому, если вы возьмете магнитное устройство хранения данных и поместите его в умеренное магнитное поле, информация будет полностью стерта», — говорит Комин.
Антиферромагнетики, напротив, не подвержены влиянию внешних полей и поэтому могут быть более безопасной альтернативой MRAM. Важным шагом на пути к кодируемым битам AFM является возможность включать и выключать антиферромагнетизм. Исследователи нашли различные способы добиться этого, в основном используя электрический ток, чтобы переключить материал с его упорядоченного сглаживания на случайный беспорядок вращений.
«При таких подходах переключение происходит очень быстро», — говорит Ли. «Но оборотной стороной является то, что каждый раз, когда вам нужен ток для чтения или записи, для каждой операции требуется много энергии. Когда вещи становятся очень маленькими, энергия и тепло, выделяемые текущими токами, становятся значительными ».
Допинговое расстройство
Комин и его коллеги задавались вопросом, смогут ли они достичь антиферромагнитного переключения более эффективным способом. В своем новом исследовании они работают с никелатом неодима, антиферромагнитным оксидом, выращенным в лаборатории Раманатана. Этот материал имеет нанодомены, которые состоят из атомов никеля со спином, противоположным спину его соседа, и удерживаются вместе атомами кислорода и неодима. Исследователи ранее нанесли на карту фрактальные свойства материала .
С тех пор исследователи пытались выяснить, могут ли они управлять антиферромагнетизмом материала с помощью легирования — процесса, при котором в материал намеренно вводятся примеси, чтобы изменить его электронные свойства. В их случае исследователи легировали оксид никеля неодима, удаляя из материала атомы кислорода.
Когда атом кислорода удаляется, остается два электрона, которые перераспределяются между другими атомами никеля и кислорода. Исследователи задались вопросом, приведет ли удаление большого количества атомов кислорода к эффекту домино беспорядка, который отключит упорядоченное сглаживание материала.
Чтобы проверить свою теорию, они вырастили пленки оксида никеля неодима толщиной 100 нанометров и поместили их в камеру с кислородным голоданием, а затем нагрели образцы до температуры 400 градусов Цельсия, чтобы стимулировать выход кислорода из пленок в атмосферу камеры. .
По мере того, как они удаляли все больше кислорода, они исследовали пленки, используя передовые методы магнитной рентгеновской кристаллографии, чтобы определить, была ли магнитная структура материала неповрежденной, подразумевая, что его атомные спины оставались в своем упорядоченном сглаживании и, следовательно, сохраняли антиферомагнетизм. Если бы их данные показали отсутствие упорядоченной магнитной структуры, это было бы свидетельством того, что антиферромагнетизм материала отключился из-за достаточного легирования.
Благодаря своим экспериментам исследователям удалось отключить антиферромагнетизм материала при определенном критическом пороге легирования. Они также могли восстановить антиферромагнетизм, добавив в материал кислород.
Теперь, когда команда продемонстрировала, что легирование эффективно включает и выключает АСМ, ученые могут использовать более практичные способы легирования подобных материалов. Например, кремниевые транзисторы переключаются с помощью активируемых напряжением «затворов», когда небольшое напряжение подается на бит для изменения его электропроводности. Комин говорит, что антиферромагнитные биты также могут быть переключены с использованием подходящих вентилей напряжения, что потребует меньше энергии, чем другие методы антиферромагнитного переключения.
«Это может предоставить возможность разработать устройство хранения на магнитной памяти, которое работает аналогично кремниевым чипам, с дополнительным преимуществом, заключающимся в том, что вы можете хранить информацию в AFM-доменах, которые очень надежны и могут быть упакованы с высокой плотностью», — говорит Комин. «Это ключ к решению проблем мира, управляемого данными».