Forskere vender en magnetisk hukommelsescelle med en lyspuls ved rekordhastighed

University of Minnesota elektriske og computertekniske forskere har skabt et magnetisk tunnelkryds, der kan skiftes med en lyspuls, der varer en billionion af et sekund - en ny rekord. Det magnetiske tunnelkryds er afgørende for informationsteknologiske fremskridt med ophør af Moores lov, et princip, der har styret mikroelektronikindustrien i fem årtier.

Dette fremskridt lover godt for udviklingen af ​​nye, optisk styret, ultrahurtige magnetiske enheder samlet kaldet spintronics (elektronik, der kombinerer optiske og magnetiske nanoteknologier). Disse enheder kan føre til innovationer i opbevaringen, forarbejdning, og kommunikation af information. Et eksempel på en sådan innovation ville være udviklingen af ​​et system, der, ligesom den menneskelige hjerne, kan både gemme og analysere en stor mængde data samtidigt. Detaljerne om enheden og de test, der er udført på den, er rapporteret i et papir, der for nylig blev offentliggjort i Fysisk gennemgang anvendt , et tidsskrift for American Physical Society.

Typisk, det magnetiske tunnelforbindelse har en "sandwichlignende" struktur bestående af to lag magnetiske materialer med et isolerende lag, kaldet barriere, i midten. Information skrives om det magnetiske materiale ved at vende magnetiseringen af ​​et af lagene. Denne reverseringsproces involverer ofte spiralbevægelse i de roterende elektroner, kaldet spin -behandling. Imidlertid, der er en begrænsning på, hvor hurtig spin -behandlingen kan være. Bremserne aktiveres ved cirka 1,6 GHz, en aktuel hastighedsrekord, der er meget langsommere end siliciumtransistorer. For at muliggøre hurtigere skrivehastigheder, begrænsningerne i hastighed skal overvindes.

"Med vores opfindelse af et nyt magnetisk tunnelforbindelse, der er nu en måde at fremskynde tingene på, "sagde Mo Li, en lektor ved University of Minnesota Department of Electrical and Computer Engineering, der ledede forskningen.

Inspireret af opdagelsen i 2007 af hollandske og japanske forskere, der viser, at magnetiseringen af ​​en legering af et sjældent jordelement, kaldet gadolinium (Gd), med jern (Fe), og kobolt (Co) kunne skiftes ved hjælp af lysimpulser, Forskere fra University of Minnesota brugte legeringen til at erstatte det øverste magnetiske lag i et konventionelt magnetisk tunnelforbindelse. En anden ændring, de foretog på enheden, var at bruge et gennemsigtigt elektrisk materiale kaldet indiumtinoxid til elektroden for at lade lys passere igennem den. Disse lag stables i en søjle med en diameter på 10 μm, som kun er en tiendedel af diameteren på et typisk menneskehår.

For at teste deres arbejde, forskere sendte laserpulser til den modificerede enhed ved hjælp af en billig laser baseret på optiske fibre, der udsender ultrakorte pulser af infrarødt lys. Pulserne sendes en i hvert mikrosekund (en milliontedel af et sekund), men hver puls er kortere end en billionion af et sekund. Hver gang en puls ramte den magnetiske tunnelforbindelsessøjle, forskerne observerede et spring i spændingen på enheden. Ændringen i spænding bekræfter, at modstanden i det magnetiske tunnelforbindelses "sandwich" ændres hver gang magnetiseringen af ​​GdFeCo -laget skiftes. Fordi hver laserpuls varer mindre end 1 picosekund (en milliontedel af et mikrosekund), enheden er i stand til at modtage data med en forbløffende hastighed på 1 terabit i sekundet.

Li sagde, at forskningen rummer spændende udsigter. "Vores resultat etablerer et nyt kommunikationsmiddel mellem fiberoptik og magnetiske enheder. Mens fiberoptik giver ultrahøj datahastighed, magnetiske enheder kan lagre data på en ikke-flygtig måde med høj densitet, " han sagde.

Professor Jian-Ping Wang, direktør for Center for Spintronic Materials, Grænseflader, og Novel Structures (C-SPIN) baseret på University of Minnesota og medforfatter af undersøgelsen, ser også stort løfte. "Resultaterne giver en vej mod en ny kategori af optiske spintronic -enheder, der har potentiale til at løse fremtidige udfordringer for at udvikle fremtidige intelligente systemer.

"Disse systemer kunne bruge spin -enheder som neuroner og synapser til at udføre computer- og lagringsfunktioner ligesom hjernen, mens du bruger lys til at kommunikere oplysningerne, "Sagde Wang.

Det ultimative mål for forskergruppen er at skrumpe størrelsen på det magnetiske tunnelkryds til mindre end 100 nanometer og reducere den nødvendige optiske energi. Til denne ende, holdet fortsætter sin forskning, og er i øjeblikket engageret i at optimere enhedens materiale og struktur, og arbejder på at integrere det med nanofotonik. ud over Li og Wang, postdoktor Junyang Chen, og kandidatstuderende Li Han er hovedforfattere af papiret.