Veijo Hänninen

Muistia nanomagneettisuutta manipuloiden

Seuraavan sukupolven muistitekniikan toteutusta tavoitellaan magneettisuutta nanotasolla manipuloiden. Erityisesti sellaista toteutustapaa kaivataan tulevaisuuden spintroniikkaa suunniteltaessa.

Magneettisten skyrmionit mahdollistavat erillisten magneettisten tilojen olemassaolon, jotka ovat merkittävästi energeettisesti vakaampia kuin magneettisten alueiden yksittäisen alueet.

Tästä syystä on ajateltu, että magneettisia skyrmioneja voidaan käyttää bitteinä tallentamaan informaatiota tulevaisuuden muistiin ja logiikkalaitteisiin. Niissä bitin tila on koodattu magneettisen skyrmionin olemassaolon tai puuttumisen perusteella.

Alun perin skyrmioneita ideoi ja kehitti fyysikko Tony Skyrme nukleonin malliksi vuonna 1961. Sittemmin aihe on laventunut hiukkasfysiikasta kiinteiden aineiden fysiikan pariin nimellä magneettiset skyrmionit.

Ne ovat staattisesti pysyviä solitoneja ja parhaimmillaan ne ovat myös topologisesti suojattuja.

Skyrmionit: askel kohti tulevaisuuden tietojenkäsittelyä

Ranskalaisen CNRS:n tutkijoiden johtama kansainvälinen tutkimusryhmä on äskettäin havainnut, että skyrmionit voivat liikkua sähkövirroilla ja saavuttaa jopa ennätysnopeudet 900 m/s.

Skymionin koko voi olla muutama nanometri, eli noin kymmenen atomia. Tähän asti tällaiset nanokuplat ovat liikkuneet enintään 100 m/s, mikä on liian hidasta laskentasovelluksille. Antiferromagneettisen materiaalin käytön ansiosta tutkijat onnistuivat kuitenkin liikuttamaan skyrmioneja 10 kertaa nopeammin kuin aiemmin havaittiin.

Antiferromagneettiset pinot koostuvat kahdesta nanometrin paksuisesta ferromagneettisesta kerroksesta (kuten koboltti), jotka on erotettu ohuella ei-magneettisella kerroksella ja joiden magnetisaatiot ovat vastakkaisia.

Nämä tulokset tarjoavat uusia mahdollisuuksia kehittää tehokkaampia ja vähemmän energiaa kuluttavia laskentalaitteita.

Meroneita synteettisissä antiferromagneeteissa

Skyrmioneja ajatellaan käytettäväksi myös spintroniseen lähestymistapaan käsitellä informaatiota mutta siihen soveltunee myös niiden vielä vähemmän ymmärrettyjä ja harvinaisempia serkkuja, joita kutsutaan "meroneiksi".

Skyrmionien tapaa meronit ovat kollektiivisia topologisia rakenteita, jotka muodostuvat lukuisista yksittäisistä spineistä. Meroneja on toistaiseksi kuitenkin havaittu vain luonnollisissa antiferromagneeteissa, joissa niitä on vaikea sekä analysoida että käsitellä.

Johannes Gutenbergin yliopiston Mainzin (JGU) tutkijat yhdessä Tohokun yliopistoa ja espanjan ALBA Synchrotron Light Facilityltä ovat ensimmäisinä osoittaneet meronien esiintymisen synteettisissä antiferromagneeteissa ja siten materiaaleissa, joita voidaan valmistaa käyttämällä vakiintuneita pinnoitustekniikoita.

"Pystyimme suunnittelemaan uudenlaisen elinympäristön uudelle ja erittäin "ujolle" lajille", sanoo fyysikko Robert Frömter. Tutkimussaavutus sisältää synteettisten antiferromagneettien suunnittelun siten, että niihin muodostuu meroneja, sekä itse meronien havaitsemisen.

"Olemme siis onnistuneet ottamaan askeleen kohti meronien mahdollista käyttöä."

Hopfionit tarjoavat uuden ulottuvuuden

Uppsalan yliopistossa tutkijat havaitsivat viime vuonna hopfioneita, vuosikymmeniä sitten ennustetuja magneettisia spinrakenteita. Niistä onkin tullut kuuma ja haastava tutkimusaihe viime vuosina.

Nature -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa esitetyt ensimmäiset kokeelliset todisteet on saatu ruotsalais-saksalais-kiinalaisen tutkimusyhteistyön tuloksena.

"Tuloksemme ovat tärkeitä sekä perustavanlaatuisesta että sovelletusta näkökulmasta, sillä kokeellisen fysiikan ja abstraktin matemaattisen teorian välille on syntynyt uusi silta, mikä saattaa johtaa siihen, että hopfionit löytävät sovelluksen spintroniikassa", sanoo tutkija Philipp Rybakov Uppsalan yliopistosta.

Skyrmioneihin verrattuna hopfioneilla on ylimääräinen vapausaste kolmiulotteisuuden vuoksi ja ne voivat siten liikkua kolmessa ulottuvuudessa kahden ulottuvuuden sijaan.

Muistitekniikkaa kiraalisuudella

Tohokun yliopiston tutkijaryhmä on ehdottanut uutta konseptia magneettipohjaisille muistirakenteille, jotka voivat mullistaa informaation tallennuslaitteet niiden laajamittaisen integroinnin, haihtumattomuuden ja kestävyyden ansiosta.

Haihtumattomuutensa ja alhaisen energiankulutuksensa vuoksi spintronisilla laitteilla on todennäköisesti keskeinen rooli tulevaisuuden tiedontallennuskomponenteissa.

Ferromagneettipohjaisilla spintroniikkalaitteilla on kuitenkin potentiaalinen sudenkuoppa. Ferromagneetit synnyttävät ympärilleen magneettikenttiä, jotka vaikuttavat lähellä oleviin ferromagneetteihin ja ahtaassa nanopiirissä tämä johtaa ylikuulumiseen magneettibittien välillä.

Tutkimusryhmä Tohokun ja Tohon yliopistoista osoittivat, että magneettisia materiaaleja, joita kutsutaan kierteisiksi magneeteiksi, voidaan hyödyntää magneettisessa muistilaitteessa.

Kierteisissä magneeteissa atomien magneettisten momenttien suunnat ovat järjestyneet spiraaliin. Spiraalin oikea- tai vasenkätisyys eli kiraalisuutta voitaisiin hyödyntää informaation tallentamiseen.

Jokaisen atomin magneettisen momentin indusoimat magneettikentät kumoavat toisensa, joten kierteiset magneetit eivät tuota makroskooppista magneettikenttää.

"Kierremagneettien kädenmukaisuuteen perustuvat muistirakenteet, jotka ovat vapaita bittien välisestä ylikuulumisesta, voisivat tasoittaa uuden tien muistitiheyden parantamiseen", Hidetoshi Masuda sanoo.

"Olemme tuoneet esiin kierteisten magneettien kiraalisuusmuistin mahdollisen kapasiteetin seuraavan sukupolven muistilaitteille; se voi tarjota tiheitä, haihtumattomia ja erittäin vakaita muistibittejä", Masuda lisää. "Tämä toivottavasti johtaa tulevaisuuden tallennuspiireihin, joissa on erittäin suuri informaatiotiheys ja korkea luotettavuus."

Magnetosähköisen spin-orbit logiikan rakenneosa

Koska CMOS-tekniikat kohtaavat haasteita dimensioiden ja jännitteiden skaalauksessa vaihtoehtona magnetosähköisten materiaalien ennustetaan mahdollistavan pienen tehonkäytön magnetoinnin ohjauksen.

Kansainvälinen ryhmä, jota johtivat CIC nanoGUNE:n Nanodevices -ryhmän tutkijat, on onnistunut jännitepohjaisen magnetoinnin kytkennässä sekä lukemaan magnetosähköisiä spin-orbit nanorakenteita.

Tutkimus on todiste näiden nanorakenteiden periaatteesta, jotka ovat magnetoelectric spin-orbit (MESO) -logiikan rakenneosia, mikä avaa uuden tien pienen tehonkäytön CMOS-tekniikoille.

Tutkijoiden esitys on (Magnetoelectric spin-orbit, MESO) -logiikka, jossa on spin-pohjainen nanorakenne multiferroisen vieressä, jolloin magnetointi kytketään yksinomaan jännitepulssilla ja luetaan sähköisesti käyttämällä spinistä varaukseen virtamuunnosta (Spin-to-Charge Current) SCC-ilmiötä.

Julkaistut tulokset tukevat jännitepohjaista magnetointikytkentää ja luentaa nanorakenteissa huoneenlämmössä, mikä mahdollistaa multiferroisen BiFeO3:n ja ferromagneettisen CoFe:n välisen vaihtokytkennän kirjoittamista varten sekä luentaa SCC:n muunnoksen avulla CoFe:n ja Pt:n välillä.

Tutkijoiden mukaan tämän tutkimuksen tulos muodostaa magnetosähköisen spin-kiertorata logiikan rakenneosan, joka avaa uuden tien pienen tehonkäytön CMOS-tekniikoille.

Kiintolevytallennus kolmiulotteisesti

National Institute for Materials Sciencen (NIMS), Seagate Technologyn ja Tohoku Universityn tutkijaryhmät ovat tehneet läpimurron kiintolevyasemien (HDD) alalla osoittamalla monitasoisen tallennuksen toteutettavuuden käyttämällä kolmiulotteista magneettista tallennusvälinettä digitaalisen informaation tallentamiseen.

Nämä japanilaiset tutkimusryhmät ovat osoittaneet, että tällä tekniikalla voidaan lisätä kiintolevyjen tallennuskapasiteettia, mikä voi johtaa tehokkaampiin ja kustannustehokkaampiin datan tallennusratkaisuihin tulevaisuudessa.

Palvelinkeskukset tallentavat yhä enemmän valtavia määriä dataa kiintolevyasemille (HDD), jotka käyttävät kohtisuoraa magneettista tallennusta (PMR) informaation tallentamiseen noin 1,5 Tbit/in² pinta-alatiheydellä.

Kuitenkin siirtyäksesi suurempiin aluetiheyksiin tarvitaan korkean anisotropian magneettinen tallennusväline, joka koostuu FePt-rakeista yhdistettynä lämpöavusteiseen laserkirjoitukseen. Tällainen HAMR-tyyppinen tallennustapa pystyy alueelliseen tallennustiheyteen jopa 10 Tbit/in².

Nyt tällä uudella monitasoisella tallennustekniikalla on saavutettavissa yli 10 Tbit/in² tiheydet. Se on osoitettu tallentamalla 3 tai 4 tallennustasoa verrattuna HDD-tekniikassa käytettyyn binääritasoon.

Tässä työssä järjestettiin FePt-tallennuskerrokset kolmiulotteisesti valmistamalla hilasovitettuja, FePt/Ru/FePt-monikerroksisia kalvoja, joissa Ru välikerroksena. Kunkin tallennuskerroksen Curie-lämpötila eroaa noin 100 K ja data kirjoitetaan kuhunkin kerrokseen laserin tehoa säätämällä .