Fysikere tilbyder et nyt spin på hukommelsen

Forestil dig at bide i en peanutbutter sandwich og opdage en skive ost gemt mellem brødet og smørret. På en måde, dette er hvad der skete med et hold fysikere ved University of Arizona, bortset fra at "osten" var et lag af jernoxid, mindre end et atomlag tykt, og "sandwichen" var et magnetisk tunnelkryds - et lille, lagdelt struktur af eksotiske materialer, der en dag kan erstatte nuværende silicium-baserede computertransistorer og revolutionere computing. Jernoxid - et materiale relateret til det, der almindeligvis er kendt som rust - udviser eksotiske egenskaber, når dets tykkelse nærmer sig tykkelsen af ​​enkelte atomer.

Et team ledet af Weigang Wang, professor i UArizona Institut for Fysik, antyder i en ny undersøgelse, at det hidtil ukendte lag er ansvarligt for visse opførsel af magnetiske tunnelforbindelser, som havde fysikere forundret i mange år. Opdagelsen, offentliggjort i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve , åbner op for uventede muligheder for at udvikle teknologien yderligere.

I modsætning til konventionelle mikrotransistorer, magnetiske tunnelforbindelser bruger ikke elektronernes elektriske ladning til at lagre information, men drag fordel af en kvantemekanisk egenskab, som elektroner har, som kaldes "spin". Kendt som spintronics, computerteknologi baseret på magnetiske tunnelforbindelser er stadig meget i den eksperimentelle fase, og applikationerne er ekstremt begrænsede. For eksempel, teknologien bruges i fly og spilleautomater til at beskytte lagrede data mod pludselige strømafbrydelser.

Dette er muligt, fordi magnetiske tunnelforbindelser behandler og lagrer information ved at ændre orienteringen af ​​magneter i nanoskala i stedet for at flytte elektroner rundt, som almindelige transistorer gør.

"Når du vender retningen af ​​magnetiseringen, en magnetisk tunnelforbindelse opfører sig som en transistor, idet den enten er "tændt" eller "slukket", " sagde Meng Xu, en ph.d.-studerende i Wangs laboratorium og førsteforfatter på papiret. "En af dens fordele er, at når du holder den i den tilstand, det bruger ikke energi at vedligeholde den lagrede information."

Selvom højtydende magnetiske tunnelforbindelser har eksisteret i omkring 20 år, forskere har været forvirrede over det faktum, at hver gang de målte forskellen mellem tilstanden "tændt" og "slukket", værdierne var meget lavere end hvad de fysiske egenskaber af disse nano-størrelse switche ville forudsige, begrænsning af potentialet for magnetiske tunnelforbindelser som byggestenene i spintronisk databehandling.

Dette mysterium kan forklares med det tynde lag af jernoxid, som Wang og hans kolleger opdagede ved grænsefladen mellem de to magnetiske lag i deres magnetiske tunnelforbindelsesprøver - "osteskiven" i sandwich-analogien.

"Vi mener, at dette lag fungerer som en forurening, forhindrer vores prøve i at opnå den ydeevne, vi ønsker at se fra et magnetisk tunnelkryds, " sagde Wang.

Imidlertid, Wang siger, at resultaterne er en tosidet medalje, fordi mens det uventede lag slankede udsigterne for magnetiske tunnelkryds ved at sænke modstandsændringen i deres "on" og "off" tilstand, det er gode nyheder, fordi det åbner uventede muligheder inden for et andet område af spintronics.

Wangs gruppe opdagede, at laget opfører sig som en såkaldt antiferromagnet, da de testede tunnelforbindelserne ved ekstremt kolde temperaturer under minus 400 grader Fahrenheit, eller negativ 245 grader Celsius.

Antiferromagneter er under intensiv forskning, fordi de potentielt kan manipuleres ved Terahertz-frekvenser, omkring 1, 000 gange hurtigere end eksisterende, siliciumbaseret teknologi, som typisk opererer i Gigahertz-regionen. Indtil nu, imidlertid, forskere har kæmpet med at finde måder at manipulere de lovende enheder på, et afgørende første skridt i at anvende teknologien til datalagring.

"I nogle få tilfælde Det lykkedes for forskere at kontrollere antiferromagnetiske materialer isoleret, " sagde Wang, "men så snart du forsøger at indarbejde et antiferromagnetisk lag i et magnetisk tunnelkryds - og det er hvad du skal gøre for at bruge dem til spintronics - dræber det hele."

dog laget rapporteret i denne undersøgelse gør ikke, Wangs hold fundet. For første gang, dette kan give forskere mulighed for at kombinere fordelene ved antiferromagneter - hidtil uset læse- og skrivehastighed - med kontrollerbarheden af ​​magnetiske tunnelforbindelser, sagde Wang.

"Med denne undersøgelse, vi demonstrerede for første gang, at vi kan ændre den antiferromagnetiske egenskab af en magnetisk tunnelforbindelse ved hjælp af et elektrisk felt, som bringer os et skridt tættere på at bruge antiferromagnetisk spintronik til hukommelseslagring, " sagde Wang.

Her er grunden:Mens brugen af ​​spins i antiferromagneter til at behandle information øger beregningshastigheden markant, til sidst skal denne information omdannes tilbage til en elektrisk ladning, sagde Wang.

"Alle oplysninger, som vi koder i spin, uanset om det er antiferromagnetisk eller magnetisk, vi vil til sidst læse op som et elektrisk signal, fordi elektronen virkelig er det bedste, vi har, og det mest populære medie at behandle, læse og skrive information, " sagde han. "Den konvertering udføres normalt ved magnetiske tunnelforbindelser."

Inkorporering af antiferromagnetiske lag i magnetiske tunnelforbindelser kan en dag give ingeniører mulighed for at designe computere, hvor behandlingen af ​​information foregår på samme sted som lagring af information, ligner den menneskelige hjerne.

Spintronic-enheder tilbyder en anden fordel i forhold til konventionelle transistorer, ifølge Wang:De kræver ikke energi bare for at vedligeholde den information, der er lagret i hukommelsen.

"Med spintronics, du behøver kun det elektriske felt for at skrive informationen, men når det er gjort, du kan slukke den for at reducere energiforbruget, " han sagde.

Siliciumbaserede transistorer på den anden side, lider af en effekt kendt som elektronlækage, sagde Wang. Efterhånden som producenterne propper flere og flere transistorer ind i mindre områder af mikroprocessorer, flere og flere elektroner går tabt, kræver, at enheden udfører ekstra arbejde og bruger ekstra energi blot for at modvirke denne proces.

Elektronlækage er en af ​​grundene til, at Moores lov - som siger, at antallet af transistorer på en chip fordobles hvert andet år - forventes at slutte snart, sagde Wang.

Med spintronic enheder, lækage er ikke et problem; de kan gemme oplysninger stort set på ubestemt tid uden at forbruge strøm.

"It's the same reason your fridge magnets can stay in place for a really long time, " he said. "Once the quantum mechanical exchange interaction has been made, no energy input is needed to maintain the magnetization direction."