Naujas magnetinių medžiagų savybių valdymo būdas gali atverti kelią gaminti atminties, skaičiavimo ir jutiklių lustus, kurie sunaudotų žymiai mažiau energijos nei dabartiniai.
Šis būdas taip pat gali padėti įveikti ir fizinius apribojimus, kurie jau pradeda lėtinti tolesnę mikroschemų miniatiūrizaciją.
Vandenilio jonai (raudoni taškai), valdomi elektros įtampa, migruoja per tarpinę medžiagą ir pakeičia gretimo magnetinio sluoksnio (žalia spalva) magnetinės savybės.
Tyrėjai iš Masačiūsetso technologijų instituto ir Brukhaveno nacionalinės laboratorijos (JAV) pademonstravo, kad galima kontroliuoti plonų medžiagos sluoksnių magnetines savybes, paprasčiausiai naudojant mažą įtampą. Tokiu būdu padaryti magnetinės orientacijos pakeitimai naujoje būsenoje išlieka be jokios nuolatinės jėgos poreikio, kitaip nei dabartinėse atminties mikroschemose.
Lustų iš silicio gamintojai jau priartėjo prie fundamentalių ribų, beveik nebeleidžiančių toliau didinti tranzistorių tankio ir mažinti energijos suvartojimą. Todėl mokslininkai ieško naujų metodų, kurie leistų apeiti šias ribas. Viena iš perspektyvių alternatyvų yra elektronų sukinių panaudojimas.
Šis mokslo šaka, vadinamas spintronika, panaudoja įdomią elektronų savybę – ne jų elektros krūvį, o gebėjimą turėti du skirtingus sukinius.
Spintronikos įrenginiai gali išlaikyti savo magnetines savybes be nuolatinio energijos poreikio, o jos reikia iš silicio kristalų pagamintoms atminties mikroschemoms. Todėl jie sunaudoja ir daug mažiau energijos, ir išskiria mažiau šilumos – tai dar viena iš problemų, ribojančių galimybes dar labiau minimizuoti šiuolaikinius lustus.
Tačiau spintronikos technologijos taip pat turi trūkumų. Vienas iš didžiausių – būdas lengvai ir greitai valdyti magnetines medžiagos savybes elektros įtampa.
Mėginama kaupti elektronus ties magnetinės medžiagos ir izoliatoriaus riba, naudojant struktūrą, panašią į kondensatorių. Tuomet elektros krūvis gali keisti medžiagos magnetines savybes, tačiau nežymiai, todėl daugeliu atveju toks būdas yra neefektyvus.
Taip pat bandoma magnetines savybes keisti, naudojant jonus. Pavyzdžiui, naudojami deguonies jonai oksiduoti ploną magnetinės medžiagos sluoksnį – tuomet jo magnetinės savybės pasikeičia pakankamai smarkiai. Tačiau deguonies jonų įterpimas ir pašalinimas sukelia ir mechaninius medžiagos pažeidimus, todėl po kiek laiko tokie prietaisai nustoja veikti.
Tačiau nauji tyrimai rodo, kad galima naudoti gerokai mažesnius – vandenilio jonus. Vandenilio jonai gali lengvai įsiterpti į kristalinę medžiagos struktūrą ir būti pašalinami, jos nepažeidžiant. Toks magnetinių savybių keitimo būdas ir nesukelia medžiagos degradacijos, ir yra greitas, kas irgi yra labai svarbus privalumas, teigia mokslininkai.
Tyrėjai jau įrodė, kad toks vandenilio jonų įterpimas leidžia keisti medžiagos magnetinę orientaciją, ir nesukelia medžiagos pokyčių po daugiau nei 2000 ciklų. Ir, skirtingai nuo deguonies jonų, vandenilis gali lengvai praeiti giliau į metalo sluoksnius, o tai leidžia kontroliuoti ir gilesnių sluoksnių savybes.
„Kai vandenilio jonai juda link magneto, jo magnetinis laukas kiek pasikeičia. Eksperimentų metu pavyko pakeisti magnetinio lauko kryptį iki 90 laipsnių, ir šis procesas yra visiškai apgręžiamas – galima jo kryptį vėl atstatyti į pradinę. Kadangi magnetų polių orientacija ir naudojama informacijos saugojimui, tai reiškia, kad galima, naudojant šį efektą spintroniniuose įrenginiuose, lengvai įrašyti ir ištrinti duomenų bitus“, teigia tyrėjai.
„Tai iš tiesų yra reikšmingas laimėjimas“, – sako Krisas Leightonas (Chris Leighton), Minesotos universiteto Chemijos inžinerijos ir medžiagų mokslų fakulteto profesorius, kuris šiame tyrime nedalyvavo. „Šiuo metu visame pasaulyje daug dėmesio skiriama magnetinių medžiagų valdymui elektros įtampa. Tai ne tik įdomu iš teorinės pusės, bet ir potencialiai gali padėti sukurti naujas technologijas skaitmeninei informacijai magnetinėse medžiagose saugoti ir apdoroti“.
„Vandenilio jonų įterpimas magnetizmo valdymui nėra visai naujas dalykas, tačiau tai, kad tai galima padaryti tiesiog elektros įtampa kietuosiuose kūnuose, smarkiai pakeičiant jų magnetines savybes – tai yra didelis pasiekimas. Tai gali padėti sukurti technologijas, kurios leistų pagaminti magnetinius tranzistoriaus analogus. O tai jau būtų mikroelektronikos proveržis“.
Tiesą sakant, šis atradimas buvo padarytas gana atsitiktinai. Eksperimentuodami su sluoksniuotomis magnetinėmis medžiagomis ir ieškodami būdų keisti jų magnetines savybes, tyrėjai pastebėjo, kad eksperimentų rezultatai kiekvieną dieną smarkiai skiriasi. Ištyrus visas sąlygas skirtingų bandymų metu, paaiškėjo, kad pagrindinis skirtumas buvo oro drėgmė: eksperimentai geriau pavykdavo drėgnomis dienomis, lyginant su sausomis. Pasirodė, kad oro vandens molekulės ant medžiagos paviršiaus skildavo į deguonį ir vandenilį, deguonis pakliūdavo vėl į orą, o vandenilis buvo jonizuojamas ir prasiskverbdavo į magnetinę medžiagą, taip pakeisdamas jos magnetinį lauką.
Tyrėjų grupės sukurtas prietaisas susideda iš kelių plonų medžiagos sluoksnių, įskaitant kobalto sluoksnį, kuriame ir vyksta magnetiniai pokyčiai, o jis įterptas tarp metalo – paladžio arba platinos sluoksnių, metalo oksido sluoksniu atskirtų nuo dar vieno – aukso sluoksnio, kuris prijungtas prie elektros įtampos.
Magnetinis laukas pasikeičia, trumpam įjungus įtampą, ir išlieka, ją nutraukus. Norint magnetinį lauką gražinti į pradinę būseną, pakanka užtrumpinti grandinę, jokios papildomos galios nebereikia.
Tuo tarpu įprastai atminties mikroschemai reikia nuolatinės elektros srovės, norint išlaikyti jos būseną. Ir, kadangi magnetinės medžiagos būsenos pakeitimui panaudojamas tik trumpas įtampos impulsas, energijos suvartojimas yra labai mažas.
Įrenginiai, kurių energijos sąnaudos yra mažos ir kurie turi labai didelį perjungimo greitį, būtų labai naudingi naujos kartos kompiuteriams ir mobiliesiems įrenginiams.
„Per kelis metus turėtų pasirodyti laboratoriniai prototipai. Tačiau pasakyti, kada galėtų pasirodyti tokios atmintys, tinkamos pramoniniam naudojimui, kol kas gana sudėtinga – tai gali užtrukti ilgiau“, teigia šio darbo autoriai.
Straipsnis apie šį darbą buvo paskelbtas žurnale „Nature Materials“.
Aik Jun Tan, et al., “Magneto-ionic control of magnetism using a solid-state proton pump,” Nature Materials (2018)
Daugiau:
IBM paskelbė pradėsianti mažiausio pasaulyje kompiuterio gamybą
VU fizikai atrado naujo tipo magnetinį lauką
IBM mokslininkai sukūrė mažiausią pasaulyje magnetą
Magnetinės deimanto savybės – naujas Lietuvos mokslininkų tyrimų objektas
Vėjo jėgainėje Danijoje – generatorius su superlaidininkais
Naujos galimybės žengiant nuo elektronikos prie spintronikos
Mažas impulso poslinkis gali lemti reikšmingus kvantinės mechanikos efektus