Przełomowe badania umożliwiają produkcję urządzeń MRAM nowej generacji
Dyski twarde, dyski optyczne, pamięci flash i inne urządzenia są pamięciami nieulotnymi, co oznacza, że mogą zachować zapisane dane nawet po odłączeniu zasilania. Nie oferują jednak dużych szybkości, zwłaszcza w przypadku zapisu, również możliwości skalowania pozostawiają wiele do życzenia. Pamięć MRAM, czyli pamięć operacyjna wykorzystująca efekt magnetorezystancyjny (ang. magnetoresistive random-access memory) to rodzaj pamięci nieulotnej, która do przechowywania bitów wykorzystuje stany magnetyczne zamiast ładunków elektrycznych. Technologia ta może pozwolić na produkcję uniwersalnej pamięci, która pozwala na natychmiastowy zapis, zapewnia nieograniczoną wytrzymałość oraz umożliwia nieskończone przechowywanie danych.
Moment spin-orbita pozwala na lepsze urządzenia MRAM
Nowa generacja pamięci MRAM będzie oparta na nowych mechanizmach spintronicznych, które zapewnią możliwość przyspieszenia pracy oraz zmniejszą pobór mocy. W ramach finansowanego ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie” projektu GRISOTO naukowcy przyglądali się temu, w jaki sposób heterostruktury zbudowane z materiałów 2D – w tym wypadku grafenu – i izolatorów topologicznych mogą pomóc w indukowaniu momentu spin-orbita w ferromagnetykach. Badaczka prowadząca projekt, Regina Galceran, wyjaśnia: „Naszym celem jest kontrola namagnesowania materiału ferromagnetycznego, który decyduje o włączeniu lub wyłączeniu pamięci, poprzez przepływ niewielkiego prądu elektrycznego. Kontrolę tę możemy uzyskać dzięki zastosowaniu ciągłej warstwy wykonanej z materiału charakteryzującego się mocnym sprzężeniem spin-orbita”. Gdy elektron o niewłaściwym momencie trafia do materiału ferromagnetycznego, to niedopasowanie powoduje powstanie niewielkiej siły skręcającej – momentu obrotowego. Duży prąd może wygenerować moment obrotowy wystarczająco duży, aby zmienić kierunek namagnesowania materiału ferromagnetycznego. Możliwość kontrolowania zmiany namagnesowania przez przełączanie spinów dzięki wykorzystaniu momentów obrotowych w czasie przeniesienia spinu jest wykorzystywana w urządzeniach MRAM nowej generacji. Wśród obiecujących materiałów charakteryzujących się wytwarzaniem dużych momentów spin-orbita można wymienić dichalkogenki metali przejściowych i izolatory topologiczne, ale ich osiągi ogranicza dyfuzja stopu w punkcie styku z materiałem ferromagnetycznym.
Grafen – obiecująca platforma w zastosowaniach spintronicznych
Aby sprostać temu wyzwaniu, badacze projektu GRISOTO zbadali korzyści umieszczenia warstwy grafenu pomiędzy materiałem ferromagnetycznym i materiałem o silnym sprzężeniu spin-orbita. Dzięki małemu sprzężeniu spin-orbita grafen pozwala na zachowanie spójności spinu elektronów przez długi czas. Badacze zakładali, że połączenie obu materiałów pozwoli na uzyskanie wyjątkowych zjawisk spin-orbita wywoływanych przez bliskość obu materiałów, które będą mogły zostać wykorzystane do kontroli prądu spinowego. „Bezpośrednie uzyskiwanie grafenu na podłożu dzięki technologii chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD) wymaga optymalizacji każdego podłoża. W naszym badaniu uprościliśmy ten proces, przenosząc grafen uzyskany tą metodą na powierzchnię warstwy topologicznego izolatora”, opowiada Galceran. „Odkryliśmy, że grafen chroni leżącą pod nim powierzchnię topologicznego izolatora przed utlenianiem. Co więcej, materiał ten zapobiega mieszaniu się atomów na punktach styku między materiałem ferromagnetycznym i izolatorem topologicznym – zjawisku, które tłumi momenty spin-orbita”.
Jakie korzyści może przynieść technologia MRAM społeczeństwu?
„Uzyskanie niezawodnego sposobu przełączania orientacji spinu w materiałach ferromagnetycznych stanowi klucz do wytwarzania urządzeń magazynujących dane, a docelowo także obwodów logicznych. Rozwiązania internetu rzeczy i inteligentnych miast łączą w sobie wiele technologii, w tym analizy danych w czasie rzeczywistym, algorytmy uczenia maszynowego czy systemy wbudowane. Problemy z uzyskaniem odpowiedniej wydajności mogą nieść za sobą katastrofalne konsekwencje, na przykład w przypadku pojazdów autonomicznych”, dodaje Galceran. „W tych zastosowaniach przydadzą się obwody logiczne o wysokiej wytrzymałości i szybkości zapisu danych, charakteryzujące się dobrą ochroną przed odcięciem zasilania – w tej roli idealnie sprawdzą się oparte na momentach spin-orbita urządzenia MRAM”. Urządzenia MRAM osadzone w mikroprocesorach byłyby prawdziwym przełomem w dziedzinie obliczeń. Takie rozwiązanie pozwoli na aktualizację istniejących architektur procesorów i wyposażenie ich w pamięci nieulotne, ale także stworzy możliwość przemyślenia na nowo sposobu projektowania rdzeni procesorów.
Słowa kluczowe
GRISOTO, grafen, materiał ferromagnetyczny, MRAM, moment obrotowy spin-orbita, izolator topologiczny, pamięć operacyjna wykorzystująca efekt magnetorezystancyjny