Tidsløst måling i en hukommelsesenhed

z

Ved afdelingen for materialer ved ETH i Zürich, Pietro Gambardella og hans samarbejdspartnere undersøger potentielle hukommelsesenheder. De skal være hurtige, opbevare data pålideligt i lang tid og også være billig. Såkaldt magnetisk RAM (MRAM) opnår denne kvadratur af cirklen ved at kombinere hurtig omskiftning via elektriske strømme med holdbar datalagring i magnetiske materialer.

Et par år siden, forskere viste, at en vis fysisk effekt, spin-orbit drejningsmomentet, gør særlig hurtig datalagring mulig. Nu, Gambardellas gruppe og IMEC i Belgien har midlertidigt løst den nøjagtige dynamik i en enkelt sådan lagringsbegivenhed – og brugt et par tricks for at gøre det endnu hurtigere.

Magnetisering med enkelte spins

Magnetisk lagring af data kræver invertering af magnetiseringsretningen for en ferromagnetisk (dvs. permanent magnetisk) materiale for at repræsentere informationen som en logisk værdi, nul eller en. I ældre teknologier, såsom magnetbånd eller harddiske, dette blev opnået gennem magnetiske felter produceret inde i strømførende spoler. Moderne MRAM-teknologi, derimod bruger direkte elektrons spin, som strømmer direkte gennem et magnetisk lag som en elektrisk strøm. I Gambardellas eksperimenter, elektroner med modsatte spin-retninger adskilles rumligt af spin-orbit-interaktionen. Det her, på tur, skaber et effektivt magnetfelt, som kan bruges til at vende magnetiseringsretningen af ​​en lille metalprik.

"Vi ved fra tidligere eksperimenter, hvor vi stroboskopisk scannede en enkelt magnetisk metalprik med røntgenstråler, at magnetiseringsvendingen sker meget hurtigt, på omkring et nanosekund, " siger Eva Grimaldi, en post-doc i Gambardellas gruppe. "Imidlertid, disse var gennemsnitsværdier over mange tilbageførselsbegivenheder. Nu, vi ønskede at vide, hvordan præcis en enkelt sådan begivenhed finder sted, og at vise, at den kan fungere på en industrikompatibel magnetisk hukommelsesenhed."

Tidsopløsning gennem et tunnelkryds

For at gøre det, forskerne erstattede den isolerede metalprik med et magnetisk tunnelkryds. Et sådant tunnelkryds indeholder to magnetiske lag adskilt af et isoleringslag, der kun er en nanometer tykt. Afhængigt af spin-retningen - langs magnetiseringen af ​​de magnetiske lag, eller modsat det - elektronerne kan tunnelere gennem det isolerende lag mere eller mindre let. Dette resulterer i en elektrisk modstand, der afhænger af justeringen af ​​magnetiseringen i det ene lag i forhold til det andet og således repræsenterer nul og et. Fra den tids afhængighed af den modstand under en vendingsbegivenhed, forskerne kunne rekonstruere den nøjagtige dynamik i processen. I særdeleshed, de fandt ud af, at magnetiseringsreverseringen sker i to trin:et inkubationsstadium, hvor magnetiseringen forbliver konstant, og det faktiske vendingsstadium, som varer mindre end et nanosekund.

Små udsving

"For en hurtig og pålidelig hukommelsesenhed, det er væsentligt, at tidsudsvingene mellem de enkelte vendingshændelser minimeres, " forklarer Gambardellas ph.d.-studerende Viola Krizakova. Så baseret på deres data, forskerne udviklede en strategi for at gøre disse udsving så små som muligt. Til det formål, de ændrede strømimpulserne, der blev brugt til at styre magnetiseringsvendingen på en sådan måde, at de introducerede yderligere to fysiske fænomener. Det såkaldte spin-overførselsmoment, samt en kort spændingsimpuls under vendingstrinnet, resulterede i en reduktion af den samlede tid for reverseringshændelsen til mindre end 0,3 nanosekunder, med tidsmæssige udsving på mindre end 0,2 nanosekunder.

Applikationsklar teknologi

"Sæt alt dette sammen, vi har fundet en metode, hvorved data kan lagres i magnetiske tunnelforbindelser praktisk talt uden fejl og på mindre end et nanosekund, " siger Gambardella. Desuden, samarbejdet med forskningscentret IMEC gjorde det muligt at teste den nye teknologi direkte på en industrikompatibel wafer. Kevin Garello, en tidligere post-doc fra Gambardellas laboratorium, produceret spånerne indeholdende tunnelkontakterne til forsøgene på ETH og optimeret materialerne til dem. I princippet, teknologien ville, derfor, være straks klar til brug i en ny generation af MRAM.

Gambardella understreger, at MRAM-hukommelse er særlig interessant, fordi i modsætning til konventionel SRAM eller DRAM, den mister ikke information, når computeren er slukket; på samme tid, det er lige så hurtigt som disse teknologier. Imidlertid, han indrømmer, at markedet for MRAM-hukommelse i øjeblikket ikke kræver så høje skrivehastigheder, da andre tekniske flaskehalse, såsom strømtab forårsaget af store koblingsstrømme, begrænser adgangstiderne. I mellemtiden, han og hans medarbejdere planlægger allerede yderligere forbedringer; de ønsker at krympe tunnelkrydsene og bruge forskellige materialer, der bruger strøm mere effektivt.