Аномальная спинтроника. «Совершенно новая» физика вычислений.

Первый в мире прототип спинтроники, использующий эффект аномального крутящего момента Холла. Источник.

Мир, основанный на данных, всегда будет требовать большего — большей мощности, энергоэффективности, производительности. Господствующие сегодня транзисторные наработки уже довольно близки к границе своих возможностей. Мы ищем выход в квантовых средах, в фотонике и спинтронике. Последняя, кстати, уже давно считается едва ли ни главным преемником электроники, поскольку именно поток спинов может оказаться способен удовлетворить потребности вычислительных технологий в высоких скоростях и энергоэффективности.

Козырь данной альтернативы в том, что, в то время как традиционная электроника использует заряд электронов для кодирования, хранения и передачи информации, спинтронные устройства используют как заряд электронов, так и ориентацию их спинов. Присваивая значение спину электрона (вверх = 0, вниз = 1), спинтроника предлагает сверхбыстрые и энергоэффективные платформы. Мало того, поскольку спин — не эксклюзивное свойство (им обладают также и нейтроны, которые не несут никакого заряда), у нас есть повод надеяться на ещё больший потенциал технологии.  

Однако работа со спинами несколько сложнее для практической реализации. Так, разработка жизнеспособной спинтроники требует от физики глубокого понимания квантовых свойств материалов. Например, так называемый спин-момент имеет решающее значение для управления намагниченностью с помощью электричества, что необходимо для технологий хранения и обработки данных следующего поколения.

Исследования в этом направлении ведутся, что называется, во всех концах мира. Разрабатываются новые методы научных изысканий по данной теме, открываются новые подробности. Одним из таких нюансов стал новый тип спин-орбитального момента, обнаруженный учёными из Университета Юты и Калифорнийского университета в Ирвайне (UCI). На его основе авторы создали свой способ управления спином и намагниченностью с помощью электрических токов, описав его в статье, опубликованной в середине минувшего января в журнале Nature Nanotechnology. Само явление названо аномальным холловским моментом.

«Это совершенно новая физика, которая сама по себе интересна, но у неё есть и множество потенциальных новых применений, — рассказывает ведущий автор исследования Эрик Монтойя, доцент кафедры физики и астрономии в Университете Юты. — Эти самогенерируемые крутящие моменты идеально подходят для новых типов вычислений вроде нейроморфного — развивающейся системы, имитирующей сети человеческого мозга».

Аномалия.

У электронов есть крошечные магнитные поля, которые, подобно Земному, являются дипольными. Это означает, что одни спины ориентированы условно на север (или «вверх»), а другие — на юг («вниз»), ну или или где-то посередине. Взаимодействуют эти поля везде одинаково: будь их носителями электроны или целые магниты — противоположным полюсам свойственно притягиваться, а однополярным —отталкиваться. В этих условиях наблюдается спин-ориентационный момент вращения, который относится к скорости вращения электрона вокруг фиксированной точки.

При этом в некоторых материалах электроны по ориентации спина сортируются самим электричеством. Возникающая симметрия, характеризующаяся распределением ориентации спина, обуславливает специфические свойства материала. Например, она влияет на направление магнитного поля ферромагнетика.

Это модель поведения спинов в обычных условиях. То же, что обнаружила команда доктора Монтойя, и что названо ими как аномальный крутящий момент Холла (или AHT — anomalous Hall torque), демонстрирует некоторые интересные нюансы. Это связано с известным аномальным эффектом Холла, открытым Эдвином Холлом в 1881 году, который описывает асимметричное рассеяние электронов при прохождении через магнитный материал, что приводит к возникновению тока заряда, направленного под углом 90 градусов к направлению внешнего электрического тока. Так вот оказывается, что аналогичный процесс происходит и со спином. Внешний электрический ток возбуждает спиновый ток под углом 90 градусов к направлению самого электрического тока, приложенного к материалу, и, в то же время, ориентация спина совпадает с направлением намагниченности.

«На самом деле всё сводится к симметрии. Различные эффекты Холла описывают симметрию того, насколько эффективно мы можем управлять ориентацией спина в материале, — поясняет Монтойя. — В одном и том же материале может быть один эффект или все эффекты. Как учёные-материаловеды, мы можем настраивать эти свойства, чтобы устройства выполняли разные функции».

Универсальная триада.

AHT представляет собой пример новой концепции в спинтронике, известной как самогенерируемые спин-орбитальные крутящие моменты. Они демонстрируют уникальные симметрии спин-крутящих моментов, наиболее подходящие для будущих спинтронных устройств. Однако наиболее значимым авторы считают не столько само открытие, сколько его следствие.

Дело в том, что аномальный крутящий момент Холла становится частью мощного инструмента для разработки спинтронных устройств. Вместе со спиновым крутящим моментом Холла и недавно обнаруженным Монтойя в соавторстве с Ильёй Криворотовым (физиком из Калифорнийского университета в Ирвайне) плоским крутящим моментом Холла, AHT образует универсальную триаду спин-орбитальных крутящих моментов. У этой триады невероятные возможности, поскольку она должна присутствовать во всех проводящих спинтронных материалах. За это авторы назвали эту тройку «универсальными крутящими моментами Холла».

Традиционно устройства спинтроники состоят из немагнитного слоя, зажатого между двумя ферромагнитными материалами. Это хорошо иллюстрирует конструкция MRAM — магниторезистивной оперативной памяти, — где запись информации происходит за счёт туннельного тока, обеспечиваемого прослойкой диэлектрика. Двоичная информация в таком устройстве кодируется двумя возможными магнитными состояниями ориентации магнитных моментов в слоях.

Однако если такую память снабдить спиновым крутящим моментом, данные будут храниться и обрабатываться путём подачи спин-поляризованного тока из одного магнитного слоя во второй магнитный слой, переворачивая спин-ориентацию последнего. Соответственно, ориентацию спина «вверх» или «вниз» можно сопоставить с нулями и единицами двоичных данных. Так вот выясняется, что MRAM со спин-моментом позволяют хранить данные и получать к ним доступ быстрее и эффективнее, чем традиционные, основанные на изменении направления потока за счёт магнитных полей.

Хитрость в том, что в новом устройстве ориентация спина может быть передана от ферромагнитного проводника к соседнему немагнитному материалу, чем устраняется необходимость во втором ферромагнитном слое. По сути, авторы создали первый в истории прототип спинтроники, в котором используется эффект аномального крутящего момента Холла.

«Мы использовали аномальный крутящий момент Холла для создания наноразмерного устройства, известного как осциллятор с крутящим моментом. Это устройство может имитировать функции нейрона, но оно значительно меньше и работает на более высоких скоростях, — говорит соавтор исследования доктор физических наук Илья Криворотов. — Наш следующий шаг — объединить эти устройства в более крупную сеть, что позволит нам изучить их потенциал для выполнения нейроморфных задач, таких как распознавание изображений».

АРМК, по материалам Университета Юты.