Energeticky úsporná magnetická RAM: nová oblast spintronických technologií

Výzkumníci z POSTECH a Seoul National University v Jižní Koreji ukázali nový způsob, jak zvýšit energetickou úspornost nezávislého magnetického paměťového zařízení zvaného SOT-MRAM. Toto nové zjištění nabízí spoustu nových možností pro jeho budoucí využití v magnetických paměťových zařízeních založené na spintronice.

V moderních počítačích se používá k ukládání informací paměť RAM. Jejím nástupcem by ale mohla být nová SOT-MRAM (spin-orbit torque magnetic RAM). Ta pracuje rychleji než dosavadní nejrychlejší RAM a zvládne udržovat informace i poté, co je odpojena od napájení. Jakmile je dnešní RAM odpojena od elektřiny, automaticky ztrácí všechny zapamatované informace. Nicméně současné SOT-MRAM nejsou vhodné k okamžitému používání, protože pro zapsání informací vyžadují velké množství energie. U SOT-MRAM tak bylo zásadní snížit její energetickou náročnost a udělat jí energeticky úspornou.

Spin-orbitální točivý moment SOT

V SOT-MRAM magnetické směry uchovávají informace a množství zápisů, takže se mohou přesměrovat podle potřeby. Změnu směru magnetizace lze dosáhnout speciálním fyzikálním jevem zvaným SOT, který za použití elektrického proudu dokáže změnit magnetické směry. Pro zvýšení energetické úspornosti jsou měkké magnety ideální volbou materiálu pro malé magnety, protože jejich směry magnetizace lze snadno měnit i za použití malého proudu.

Nicméně pro bezpečné ukládání informací jsou měkké magnety špatnou volbou, protože jejich směr magnetizace může být snadno pozměněn i nechtěně – např. tepelným nebo jiným šumem. Proto se k pokusům o sestavení SOT-MRAM používají tvrdé magnety, které magnetizují velmi silně a jejich směr magnetizace nelze tak snadno narušit šumem. Nicméně tato volba materiálu nevyhnutelně snižuje energetickou úspornost SOT-MRAM.

Snížení energetické náročnosti

Nový výzkum ukázal způsob, jak zvýšit energetickou úspornost SOT-MRAM bez toho, aniž by se muselo obětovat bezpečné ukládání. Výzkumníci uvedli, že ultratenký feromagnetický materiál se speciální geometrickou symetrií a kvantovými vlastnostmi (Fe3GeTe2, FGT) se při použití malého elektrického proudu přepne z tvrdého magnetu na měkký. Pokud tedy neplánujeme zapisovat žádné informace, magnet zůstane tvrdý, což je vhodné pro bezpečné uchovávání informací. Jakmile se ale rozhodneme zapisovat nové informace, magnet se přepne do měkkého. Tím je zajištěná velká energetická úspora.

Profesor Lee, vedoucí skupiny výzkumníků uvedl: „Zajímavé vlastnosti vrstvených materiálů mě nikdy nepřestanou udivovat. Proud přes FGT způsobuje velmi neobvyklý typ spin-orbitálního točivého momentu (SOT), který mění energetický profil tohoto materiálu tak, že se změní z tvrdého magnetu na měkký. To je v jasném kontrastu se SOT produkovaných jinými materiály, které sice mohou změnit směr magnetizace, ale nemohou přepnout tvrdý magnet na měkký.“

Pokusy ukázaly, že toto magnetické paměťové zařízení založené na FGT je velmi energeticky úsporné. Zejména měřená velikost SOT na aplikovanou proudovou hustotu je o dva řády vyšší, než hodnoty u dříve navrhovaných materiálů pro výrobu SOT-MRAM.

„Ovládání magnetických stavů malým proudem je nezbytné pro příští generaci energeticky úsporných zařízení. Budou schopny ukládat větší množství dat a přístup k nim bude rychlejší oproti dnešním elektronickým pamětem. Navíc za menšího využití energie.“

Profesor Lee téma uzavírá: “Naše objevy jsou zásadní, protože otevřely cestu k elektrickým modulacím a spintronickým aplikacím, využívající 2D vrstvené magnetické materiály.“

Zdroj: www.sciencedaily.com
Obrázky: unsplash.com, www.mdpi.com