Ученые впервые провели систематическую оценку тепловых эффектов в спинтронике
Спинтроника изучает устройства, использующие микроскопический магнетизм в сочетании с электрическим током. Эта область науки может привести к созданию вычислительной техники, которая сможет работать так же быстро, как и обычная электроника, но при этом будет гораздо более энергоэффективной. Такие устройства уже разрабатываются и изучаются. Важным нерешенным вопросом является то, как на их работу влияет нагрев, пишет Phys.org.
Новая экспериментальная методика, о которой сообщили исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне, напрямую измеряет нагрев в спинтронных устройствах и позволяет проводить прямое сравнение с другими эффектами. Ученые говорят, что эта методика может быть использована для выбора спинтронных материалов, магнитное поведение которых минимально подвержено нагреву.
«Спинтронные устройства зависят от способности изменять намагниченность с помощью электрических токов, но есть два возможных объяснения этому: электромагнитное взаимодействие с током или повышение температуры, вызванное током, — объясняет Аксель Хоффманн, руководитель проекта и профессор материаловедения и инженерии в Иллинойсе. — Если вы хотите оптимизировать работу устройства, вы должны понимать лежащую в его основе физику. Именно это нам помог сделать наш подход».
В отличие от электроники, которая использует электрические сигналы для хранения информации и выполнения вычислений, спинтроника использует фундаментальное свойство электронов, называемое спином, которое приводит к микроскопическому магнитному поведению. Эти устройства потенциально могут потреблять гораздо меньше энергии, чем их электронные аналоги, благодаря магнитной природе их работы. Было даже высказано предположение, что спинтроника, управляемая быстрой электроникой, останется энергоэффективной, при этом соответствуя скорости обычных компьютеров. «Это как получить лучшее из обоих миров», — говорит Хоффманн.
Проблема заключалась в поиске материалов, подходящих для таких устройств. Антиферромагнетики привлекли внимание своим периодическим расположением противоположных спинов и ограниченной чувствительностью к соседним устройствам. Чтобы использовать эти материалы для памяти и вычислений, спиновая структура должна контролироваться электрическим током. Моощности, необходимые для этого, настолько велики, что температура устройства повышается до точки, где тепловые эффекты влияют на спиновую структуру в дополнение к электромагнитным эффектам.
«Продолжаются дебаты о том, является ли ток напрямую ответственным за изменения спина или же доминирующим эффектом является возникающее в результате нагревание, — уточняет эксперт. — Если это эффект, вызванный током, очень просто сделать эффект очень быстрым. Если это эффект, вызванный теплом, то важны теплопроводность и тепловая релаксация, и они могут ограничить скорость работы устройства. Таким образом, точная функциональность устройства зависит от того, какая физика за это отвечает».
Предыдущие попытки выяснить важность эффектов, обусловленных током и температурой, были затруднены из-за невозможности напрямую измерить эффекты нагрева в малогабаритных устройствах. Мен-Ву Ю, научный сотрудник в группе Хоффмана, продемонстрировал экспериментальный метод, в котором тепловые эффекты выводятся из того, как устройство нагревает подложки с различной теплопроводностью.
«Мы подготовили антиферромагнитные образцы на подложках из диоксида кремния разной толщины, — объясняет Ю. — Способность подложки проводить тепло снижается с увеличением толщины, а это означает, что антиферромагнетики на более толстых образцах имеют более высокие температуры при подаче того же электрического тока. Если нагрев устройства важен для изменения спиновой структуры, то будет наблюдаться разница между устройствами на разных подложках».
Исследователи обнаружили, что нагрев оказал значительное влияние на изученный ими антиферромагнетик Mn3Sn. Однако они отметили, что существует множество других антиферромагнетиков, рассматриваемых для спинтроники, и этот метод обеспечивает основу для систематического сравнения роли нагрева с эффектами электрического тока.
«Теперь у нас есть хорошо продуманная стратегия оценки влияния электрического нагрева в устройствах спинтроники», — заключает эксперт. По его словам, новый метод применим к любой системе, включая стандартную электронику. Методологию можно использовать для оптимизации функциональности в любом типе микроскопического устройства.
Ранее физики впервые обнаружили очень редкий распад частиц. Подробнее об этом Hi-Tech Mail писал здесь.
