Физикам удалось создать магнитный бит, в котором направление собственного магнитного момента меняется с помощью импульса спин-поляризованного тока продолжительностью всего 6 пикосекунд. Ученые увидели столь быстрый процесс с временным разрешением меньше чем в пикосекунду и продемонстрировали его энергоэффективность: на переключение бита ушло лишь 50 пикоджоулей.

В будущем подобные устройства могут стать основой для сверхбыстрой и энергоэффективной памяти, а использованные методы мониторинга столь быстрых спиновых процессов помогут лучше понять их динамику.

Статья опубликована в журнале Nature Electronics.

Магнитная запись информации — все еще один из самых популярных способов хранения больших объемов данных, который еще недавно использовался в каждом компьютере с жестким диском. В последнем биты — это участки ферромагнетика, в которых ноль или единица соответствуют разным направлениям вектора намагниченности. Постепенно на смену магнитной памяти в виде HDD пришли более быстрые и надежные твердотельные накопители SSD, в которых нет магнитных битов и подвижных частей. Но это не значит, что потенциал магнитной записи исчерпан.

Сейчас особый интерес представляют так называемые спинтронные устройства, в которых магнитная запись информации реализуется с помощью воздействия на ферромагнетик спин-поляризованным током. Обусловлено это тем, что, на первый взгляд, максимальная скорость записи магнитной информации ограничена частотой ферромагнитного резонанса (с периодом порядка наносекунды). В реальности же, согласно уравнению Ландау — Лифшица — Гильберта, которое описывает переворот магнитного момента под действием внешнего магнитного поля, при воздействии на магнитный момент особо сильным полем можно добиться его более быстрого переворота. Именно это поле и в состоянии быстро генерировать спинтронные устройства за счет импульса тока, в котором спины всех участвующих в движении электронов сонаправлены.

Применение принципов спинтроники можно увидеть, к примеру, в уже выпускаемой магниторезистивной оперативной памяти с записью данных с помощью переноса спинового момента (STT-MRAM). В таких устройствах используется два магнитных слоя: первый поляризует подаваемый ток, а второй (более мягкий с точки зрения магнитных свойств) ориентирует свой магнитный момент под действием этого уже поляризованного тока. Отделяет их друг от друга тонкий слой оксида, позволяющий записывать и считывать информацию посредством эффекта туннельного магнетосопротивления. Хоть в лабораторных условиях SST-переключатели и записывали информацию под воздействием импульсов тока продолжительностью всего 50 пикосекунд, на практике короткие импульсы токов с высокой плотностью заряда просто разрушили бы барьер между двумя ферромагнетиками. Поэтому скорость записи информации в подобных устройствах все еще ограничивается наносекундами.

Решить эту проблему могли бы SOT-устройства (в рамках SOT-MRAM на их основе), в которых запись данных происходит с помощью спин-орбитального вращательного момента. В их основе лежат два явления, встречающиеся в проводнике с током: спиновый эффект Холла, в котором электроны с антипараллельными направлениями спина отклоняются под действием внешнего магнитного поля, и эффект Рашбы — Эдельштейна, в котором за счет спин-орбитального взаимодействия в токе происходит аккумуляция спиновых моментов электронов. В результате на соседствующий с проводником ферромагнетик действует индуцированное магнитное поле со стороны спинового тока в проводнике, которое можно использовать для смены направления его собственного магнитного момента. Подробнее об особенностях и преимуществах SOT-устройств можно почитать в данном обзоре.

Теперь же Джон Горчон (Jon Gorchon) из университета Лотарингии поставил рекорд по скорости работы SOT-устройства: его группе удалось достигнуть смены направления магнитного момента ферромагнетика под действием тока продолжительностью всего 6 пикосекунд.