Spintronična vezja so privlačne alternative običajnim računalniškim čipom, saj zagotavljajo digitalno shranjevanje informacij, ki je energetsko zelo učinkovito in je tudi razmeroma enostavno za masovno proizvodnjo.

Vendar pa ta elektronska vezja, ki temeljijo na magnetnem pomnilniku, še vedno ovirajo njihove razmeroma počasne hitrosti v primerjavi z običajnimi elektronskimi čipi.

V prispevku, ki je bil objavljen v reviji Nature Electronics, je mednarodna skupina raziskovalcev poročala o novi tehniki za preklapljanje magnetnega usmerjanja – polarizacije (postopku, ki se uporablja za “zapisovanje” informacij v magnetni pomnilnik), ki je skoraj 100-krat hitrejša od najsodobnejših spintronic vezij. Napredek bi lahko privedel do razvoja ultrahitrega magnetnega pomnilnika za računalniške čipe, ki bi ohranil podatke tudi takrat, ko ni več napajanja.

V študiji raziskovalci poročajo o uporabi izjemno kratkih 6-pikosekundnih električnih impulzov za preklop magnetne polarizacije tankega magnetnega filma v magnetni napravi z veliko energetsko učinkovitostjo. Pikosekunda je 0,000.000. 000.001 sekunde.

Raziskavo je vodil Jon Gorchon, raziskovalec iz Francoskega nacionalnega centra za znanstvene raziskave (CNRS) na univerzitetnem inštitutu Jean Lamour v Loreni, Francija, v sodelovanju z Jeffreyjem Bokorjem, profesorjem elektrotehnike in računalništva na kalifornijski univerzi v Berkeleyu in Richard Wilson, docent za strojništvo in znanost in tehniko materialov na UC Riverside. Projekt se je začel na kalifornijski univerzi Berkeley, ko sta bila Gorchon in Wilson podoktorska raziskovalca v Bokorjevem laboratoriju.

V običajnih računalniških čipih se ničle in enke (0 in 1) binarnih podatkov shranijo kot “vklopljena” ali “izklopljena” stanja posameznih silicijevih tranzistorjev. V magnetnem pomnilniku lahko enake informacije shranimo kot nasprotno polarizirane magnete, ki ju običajno označujemo kot “navzgor” ali “dol” (magnetna polarizacija sever-jug ali jug-sever). Takšen magnetni pomnilnik je osnova za magnetni pomnilnik trdega diska, tehnologije, ki se uporablja za shranjevanje ogromnih količin podatkov v oblaku.

Ključna značilnost magnetnega pomnilnika je, da so podatki “nehlapni” (obstojni), kar pomeni, da se vanj zapisane informacije ohranijo tudi ob prekinitvi električnega napajanja.

“Vključevanje magnetnega pomnilnika neposredno v računalniške čipe je bil dolgo iskani cilj,” je dejal Gorchon. “To bi omogočilo, da bi se lokalni podatki na čipu ohranili tudi potem, ko se napajanje prekine. S tem bi omogočili veliko hitrejši dostop do informacij kot s prenašanjem vsebine iz oddaljenega diskovnega pogona.”

Potencial magnetnih vezij za integracijo z elektroniko raziskujejo na področju spintronike, pri kateri drobne vgrajene magnete krmilijo običajna elektronska vezja, vse skupaj pa je vgrajeno v istem čipu.

Najsodobnejša spintronika je narejena s tako imenovano napravo za ustvarjanje vrtilnega momenta za preklapljanje polarizacije magnetov. V taki napravi se na majhno območje površine kovinske žice nanese magnetni film (magnetni bit). Tok, ki teče skozi žico, povzroči tudi pretok elektronov z magnetno silo, ki se imenujejo tudi spini. Ta pretok potem na magnetni bit deluje z magnetnim navorom, imenovanim vrtilni moment obračanja. Vrtilni moment obračanja lahko na ta način preklopi polarnost (smer namagnetenja) magnetnega bita.

Najsodobnejše naprave z vrtilnim momentom, ki so jih razvili doslej, so za preklop magnetnega bita zahtevale tokovne impulze dolžine vsaj nanosekunde ali milijarde sekunde, medtem ko so tranzistorji v najsodobnejših računalniških čipih sposobni preklopiti v samo v eni do dveh pikosekundah. Prav zato je bila hitrost celotnega vezja doslej omejena z nizko hitrostjo magnetnega preklopa.

V tej študiji so raziskovalci prožili 6-pikosekundne impulze električnega toka vzdolž vodnikov v magnetni bit na osnovi kobalta. V praksi je bilo dokazano, da je v tem času magnetna polarnost kobaltovega bita z mehanizmom vrtilnega momenta obračanja zanesljivo preklopljena.

Medtem, ko je segrevanje zaradi električnih tokov pereč problem v večini sodobnih naprav, pa raziskovalci ugotavljajo, da v tem poskusu ultrahitro segrevanje znatno pripomore k menjavi magnetne polarizacije.

“Magnet različno reagira na segrevanje pri dolgih in kratkih časovnih intervalih,” je dejal Wilson. “Če je segrevanje dovolj hitro, lahko že majhna količina toplote spremeni magnetne lastnosti magneta do te mere, da to znatno pripomore k obračanju smeri polarizacije magneta.”

In dejansko so predhodne ocene porabe energije neverjetno obetavne: energija, ki jo za delovanje potrebuje to “ultrahitro” vezje z vrtilnim momentom, je skoraj za dva reda velikosti manjša kot pri običajnih spintroničnih vezjih, ki poleg tega delujejo še v veliko daljših časovnih razsežnostih.

“Visoka energetska učinkovitost tega novega, izjemno hitrega magnetnega preklopnega procesa je bila veliko in zelo dobrodošlo presenečenje,” je dejal Bokor. “Takšno hitro spintronično vezje z nizko porabo energije se z lahkoto spopada z zmogljivostnimi omejitvami trenutnih pomnilniških sistemov na ravni procesorja in bi jo lahko uporabljali tudi za aplikacije v zvezi z logiko.”

Eksperimentalne metode, ki so jih pri tem raziskovalci uporabili, pa ponujajo tudi nov način proženja in sondiranja spintroničnih pojavov v ultrahitrih časovnih merilih, kar bi lahko pripomoglo k boljšemu razumevanju osnovne fizike, ki igra pomembno vlogo v podobnih pojavih, kot je vrtilni moment pri preklapljanju polarizacije magneta.

Vir: https://techxplore.com/news/2020-10-magnetic-memory.html

Novica iz kalifornijske univerze – Berkeley