Атомно-тонкое магнитное устройство может привести к появлению новых технологий памяти

Учёные нашли новый метод кодирования информации при помощи магнитов, которые по толщине представляют собой всего лишь несколько слоёв атомов.

Как технологии облачных вычислений, так и бытовая электроника, будут революционизированы новым методом. Это настоящий прорыв в сохранении данных с большей плотностью и позволяющий повысить энергоэффективность.

Атомно-тонкое магнитное устройство может привести к появлению новых технологий памяти
Кристаллической структуры трииодида хрома (CrI3) с атомами хрома, показаны в пурпурных тонах. Йодные атомы обозначены жёлтым цветом. Чёрные стрелки представляют собой электронные «спины», которые аналогичны крошечным магнитам.

Магнитные материалы являются основой современных цифровых информационных технологий. Команда из университета Вашингтона пошла дальше, закодировав информацию, используя тонкие магниты.
Исследователи сообщают, что они использовали стопки сверхтонких материалов для беспрецедентного контроля за потоком электронов в зависимости от направления их спинов — где электронные «спины» аналогичны крошечным, субатомным магнитам. Материалы, включают листы трийодида (CrI3) хрома. Этот материал был описан в 2017 году как первый в истории двумерный магнитный изолятор. Четыре листа — каждый толщиною в атом — создали самую тонкую систему, которая может блокировать электроны на основе их спинов. Система в 10 раз сильнее, чем другие методы контроля.

«Наша работа показывает возможность подтолкнуть хранение информации на основе магнитных технологий к атомно-тонкому пределу», — сказал Tiancheng Song, доктор наук по физике UW.
В смежных исследованиях, опубликованных 23 апреля 2018 года в Nature Nanotechnology , команда обнаружила способы электрического контроля магнитных свойств этого атомарно тонкого магнита.
«С бурным ростом информации проблема заключается в том, как увеличить плотность хранения данных при одновременном снижении рабочей энергии», — сказал Xiaodong Xu, профессор физики и материаловедения из отдела инженеров UW. «Комбинация обеих работ указывает на возможность инженерии использовать атомарно тонкие магнитные запоминающие устройства с потреблением энергии на порядок меньше, чем достижимо в настоящее время».

Этот материал может позволить использовать новый тип памяти, на основе электронных спинов на каждом отдельном листе.
Исследователи заложили два слоя CrI3 между проводящими листами графена. Они показали, что в зависимости от того, как спины выровнены между каждым из листов CrI¬3, электроны могут либо беспрепятственно течь между двумя графеновыми листами, либо в значительной степени быть заблокированы от протекания. Эти две различные конфигурации могут действовать как биты — нули и единицы двоичного кода в повседневных вычислениях — для кодирования информации.

«Функциональными единицами этого типа памяти являются магнитные туннельные соединения MTJ, которые являются магнитными« затворами»: могут подавлять или пропускать электрический ток в зависимости от того, как спины выравниваются на стыке», — сказал Xinghan Cai, научный научный сотрудник по физике. «Такие ворота играют центральную роль в реализации этого типа мелкомасштабного хранения данных».

Команда обнаружила потенциал для «многобитового» хранения информации. В двух слоях CrI3 спины между каждым слоем либо выровнены в одном направлении, либо в противоположных направлениях, что приводит к двум разным скоростям — электроны могут проходить через магнитные затворы. Но с тремя и четырьмя слоями существует больше комбинаций спинов между каждым слоем, что приводит к множественным, отличным темпам, при которых электроны проходят через магнитный материал от одного графенового листа к другому.
«Вместо того, чтобы компьютер имел всего два варианта хранения данных, он может иметь выбор A, B, C и даже D за его пределами» — сказал Бевин Хуан, докторант UW по физике. «Таким образом, устройства хранения, использующее соединения CrI3, будут более эффективными, и они будут хранить в себе больше данных».

Материалы и подход исследователей представляют собой значительное улучшение по сравнению с существующими методами в аналогичных условиях эксплуатации с использованием оксида магния, который является более толстым, менее эффективным при блокировании электронов и не имеет возможности для многобитового хранения информации.

«Наше текущее устройство требует небольших магнитных полей и работает только при низкой температуре. Из-за этого невозможно использовать его в современных технологиях. Но сама концепция устройства и принцип работы являются новаторскими. Мы надеемся, что с развитием электрического контроля магнетизма и благодаря некоторой изобретательности, эти туннельные соединения заработают с уменьшенным или даже без магнитного поля, при высокой температуре, и станут новой сменой в технологии памяти».

Материалы предоставлены Университетом Вашингтона