Ученые РФ совместно с коллегами из-за рубежа открыли метод управления магнитными наносистемами

Ученые РФ совместно с коллегами из-за рубежа открыли метод управления магнитными наносистемами

Открытие важно для создания нового поколения миниатюрной электроники (спин-орбитроники) и сверхбыстрой высокоемкой компьютерной памяти

Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) вместе с
коллегами из России, Южной Кореи и Австралии предложили
инновационный метод управления спин-электронными свойствами и
функциональностью тонкопленочных магнитных наносистем. Открытие
важно для создания нового поколения миниатюрной электроники
(спин-орбитроники) и сверхбыстрой высокоемкой компьютерной
памяти, сообщает пресс-служба ДВФУ. Статья опубликована в NPG Asia Materials.

В лаборатории пленочных технологий Школы естественных наук ДВФУ
предлагают управлять функциональностью магнитной наносистемы,
построенной по принципу сэндвича, через поверхностные
шероховатости магнитной пленки, зажатой между слоем тяжелого
металла и покрывающим слоем. 

Варьируя амплитуду шероховатостей на нижней и верхней
поверхностях (интерфейсах) магнитной пленки в диапазоне менее
нанометра, что сравнимо с размерами атомов, исследователи смогли
максимизировать полезные спин-электронные эффекты, важные для
работы электроники будущего. Установлено, что для этого на нижнем
и верхнем интерфейсе магнитной пленки шероховатости должны
повторять друг друга.

Работоспособность подхода впервые продемонстрировали на примере
магнитной системы, состоящей из слоя палладия (Pd) толщиной в
диапазоне от 0 до 12 нанометров, покрытого слоем платины толщиной
2 нм и ферромагнетика (сплав CoFeSiB) толщиной 1,5 нм.
Многослойную структуру накрывали слоем из оксида магния (MgO),
тантала (Ta) либо рутения (Ru) — разные материалы-«крышки»
позволяют расширить возможности по управлению магнитными
свойствами наносистемы.

«В современной электронике размеры транзисторов все время
уменьшаются. При этом общий тренд развития направлен на получение
атомарно-гладких бездефектных поверхностей, — объясняет автор
идеи исследования, доктор физико-математических наук, проректор
ДВФУ по научной работе Александр Самардак. — Однако было бы
большой ошибкой стремиться к идеальным интерфейсам, потому что
много новых и практически востребованных физических эффектов
лежат за пределами атомарного упорядочения и идеально плоских
поверхностей. С уменьшением функциональных элементов электроники
роль поверхностных шероховатостей очень сильно возрастает. Во
многом благодаря развитию высокочувствительного аналитического
оборудования, мы только сейчас начали глубоко проникать в природу
обнаруженных явлений и понимать роль шероховатостей и атомарного
перемешивания на интерфейсах. Главный посыл нашего исследования
заключается в том, что атомарные шероховатости можно использовать
во благо для реализации новых спин-орбитронных устройств с
улучшенными свойствами».

Достаточно сильным спин-орбитальным взаимодействием обладают
тяжелые металлы платиновой группы (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt). Если
один из таких металлов привести в контакт с ультратонкой,
толщиной в несколько атомных слоев, магнитной пленкой (например,
Co, Ni, Fe, Py), можно радикально поменять электронные и
магнитные свойства системы.

«Во-первых, можно управлять намагниченностью, получая
наносистемы, намагниченные перпендикулярно плоскости пленки, —
так делают в современных жестких дисках и разрабатываемых
носителях нового поколения, чтобы повысить плотность хранения
информации, увеличить скорость записи/чтения данных и количество
циклов перезаписи. Во-вторых, сильное спин-орбитальное
взаимодействие в тяжелом металле приводит к «деформации»
электронных орбиталей атомов магнитного материала (пленки), в
результате возникают спиновые эффекты, такие как магнитное
затухание и интерфейсное взаимодействие Дзялошинского-Мория,
появляющееся на границе тяжелого металла и покрывающего его
магнитного слоя. Это антисимметричное взаимодействие ведет к
трансформации ферромагнитного порядка и появлению нетривиальных
спиновых текстур, таких как скирмионы и скирмиониумы. Такие
спиновые текстуры имеют громадный потенциал для электроники
будущего, играя роль энергонезависимых носителей информации.
Например, на их основе можно делать компоненты компьютерной
памяти, которые будут работать без магнитных головок, а биты в
них будут переключаться токовыми импульсами за счет «переворота»
спинов электронов. Такие устройства будут работать на скоростях
передачи битов до нескольких км/с под действием только
электрического тока и вмещать на порядок больше данных», —
говорит Александр Самардак.

Ученый отметил, что исследование заняло около четырех лет, но еще
год потребовался для публикации статьи в престижном журнале
издательства Nature. Рецензенты долго не могли поверить в
возможности управления спин-орбитальными свойствами путем
модулирования шероховатостей. 

 

Источник: www.dvfu.ru

Источник: scientificrussia.ru