Названы дефекты, которые делают электронику умнее и эффективнее
Группа ученых из Института технологий и инженерии материалов в Нинбо (Китайская академия наук) предложила совершенно иной взгляд на эту проблему: оказалось, что с дефектами можно не только мириться, пытаясь минимизировать их вред, но и наоборот, использовать их. Более того, именно они могут стать ключом к созданию нового класса сверхэкономичных спинтронных устройств.
Спинтроника — это направление, которое выходит за рамки классической электроники. Обычные микросхемы работают только с электрическим зарядом электрона, но ведь у него есть и другие квантовые характеристики. Среди них — спин, который можно представить как крошечный встроенный «магнит» с ориентацией «вверх» или «вниз», и орбитальный момент, описывающий движение электрона вокруг атомного ядра. Если научиться использовать все эти параметры, можно создавать память и процессоры, которые будут быстрее и компактнее привычных нам, и при этом потреблять гораздо меньше энергии.
До недавнего времени основным препятствием для их создания были дефекты материала. На самом деле, такие дефекты действительно могут быть полезны: иногда они облегчают «запись» данных в биты памяти за счет снижения потребляемого тока. Но при этом увеличивается электрическое сопротивление, снижается спиновая холловская проводимость и увеличивается общее энергопотребление. В спинтронике это считалось неизбежным компромиссом, но китайские инженеры нашли способ превратить эту слабость в преимущество.
Их новое исследование посвящено особому квантовому явлению — орбитальному эффекту Холла, который заставляет электроны двигаться в направлении, определяемом их орбитальным угловым моментом. Для экспериментов ученые использовали оксид переходного металла — стронций рутенат (SrRuO₃), чьи свойства можно точно настраивать.
Оказалось, что при правильном «инженерном» введении дефектов в материал происходит неожиданный эффект: одновременно усиливаются и проводимость орбитального тока, и так называемый угол Холла — величина, которая характеризует эффективность преобразования обычного тока в орбитальный. Для сравнения, в классических спинтронных системах рост одного параметра обычно ведет к падению другого. Здесь же наблюдается своеобразный «двойной выигрыш».
Чтобы объяснить этот парадокс, авторы обратились к механизму орбитальной релаксации, напоминающему релаксацию Дьяконова-Переля. Оказалось, что процессы рассеяния, которые обычно считаются вредными, на самом деле продлевают «жизнь» орбитального момента и тем самым усиливают ток.
То, что обычно разрушает систему, оказалось способом ее усилить.доктор Сюань Чжэннаучный сотрудник Института технологий и инженерии материалов в Нинбо и соавтор работы
Практические результаты впечатляют: экспериментальные устройства показали троекратное повышение энергоэффективности переключения. Если подход удастся масштабировать, нас может ждать целое поколение ультраэкономичных устройств — от памяти и процессоров до сенсоров, которые смогут работать там, где традиционная электроника упирается в свои пределы.
