Энергоэффективность хранения данных: спиновые моменты, намагниченности и эффект Холла

Когда-то день начинался с чашечки кофе и утренней газеты. В наши дни любовь к кофе по утрам не утратила свою релевантность, а вот бумажные новостные издания были вытеснены смартфонами, планшетами и прочими гаджетами, подключенными к интернету. И в этом нет ничего плохого, ведь всемирная паутина позволяет нам получать информацию и общаться с людьми из разных уголков мира. С каждым днем объем данных, генерируемых в мире, неустанно увеличивается. Каждая статья, фото и даже твит из двух слов — все это является частью огромного и вечно растущего информационного поля Земли. Но эти данные не эфирны, они не витают в облаках, а где-то хранятся. Местом хранения данных служат и наши гаджеты, и специализированные учреждения — дата-центры. Здания, наполненные под завязку серверами, ожидаемо потребляют уйму энергии. Логично, что с увеличением мирового объема данных будет увеличиваться и объем потребляемой энергии. Сегодня мы с вами познакомимся с исследованием, в котором ученые из Майнцского университета (Германия) разработали новую методику записи данных на сервера, которая в теории может уменьшить энергопотребление в два раза. Какие физические и химические процессы задействованы в разработке, что показали эксперименты, и настолько ли велик потенциал данного труда, как о том говорят его авторы? Об этом мы узнаем из доклада ученых. Поехали.

Основа исследования

Корнем всего исследования является спинтроника — наука, изучающая спиновый токоперенос. Спин в свою очередь это собственный момент импульса элементарной частицы. За последние годы интерес к спинтронике сильно возрос, что позволило открыть немало нового, в том числе и переключение тока с помощью спин-орбитальных моментов (SOT от spin-orbit torque) в магниторезистивных запоминающих устройств с произвольным доступом (MRAM).

Одной из важнейших составляющих MRAM являются спиновые вентили. Эти устройства состоят из двух или более проводящих магнитных материалов, электрическое сопротивление которых может меняться между двумя значениями в зависимости от относительного выравнивания намагниченности в слоях.

SOT-индуцированное переключение реализуется в бислоях ферромагнетик-тяжелый металл (FM-HM), где существует значительное демпфирование (подавление колебаний), обусловленные протеканием электрического тока вдоль направления x. SOT возникают из-за спинового эффекта Холла в объеме HM материала и из-за обратного спин-гальванического эффекта на интерфейсе FM-HM.

Ранее проведенные исследования показали, что значение демпфированого SOT может быть достаточно большим, чтобы переключать направление намагничивания при низких плотностях тока (до 10⁷–10⁸ А/см²).

Параметры образца (например, состав и толщина слоя гетероструктуры FM-HM) можно регулировать для определения величины и знака SOT. Но, как заявляют ученые, куда более важно получить динамический контроль в реальном времени над самими SOT.

Одним из энергоэффективных инструментов для получения этого контроля является механическое напряжение, вызванное электрическим полем. Ученые напоминают, что избегая необходимости в электрическом токе и, таким образом, устраняя связанные с этим потери, деформация эффективно настраивает магнитные свойства (например, магнитную анизотропию) и, следовательно, магнитную доменную структуру и динамику тонких пленок в плоскости. Более того, поскольку деформация может применяться локально, она предоставляет площадку для разработки и реализации сложных концепций коммутации в устройствах с упрощенной архитектурой.

Ранее уже были предприняты попытки исследовать влияние деформации на переключение за счет SOT, в первую очередь изучалось влияние деформации на анизотропию и возникающее в результате влияние на переключение. Кроме того, предыдущие исследования были сосредоточены исключительно на системах с плоской магнитной осью, а экспериментальные исследования в перпендикулярно намагниченных многослойных материалах не проводились.

Однако, по мнению авторов сего труда, именно в перпендикулярно намагниченных многослойных материалах кроется большой потенциал. В частности, перспективность использования систем с перпендикулярной магнитной анизотропией (PMA от perpendicular magnetic anisotropy) обусловлена повышенной термостабильностью, более высокими плотностями упаковки и улучшенным масштабированием.

В рассматриваемом нами сегодня исследовании ученые продемонстрировали электрически индуцированный контроль напряжения (механического) SOT в перпендикулярно намагниченных мультислоях W=CoFeB=MgO, выращенных на пьезоэлектрической подложке. SOT оцениваются методом вторичного квантования и магнито-транспортным методом при плоском напряжении разного характера и величины.

Результаты исследования

Было установлено, что деформация, модулируемая электрическим полем, приложенным к пьезоэлектрической подложке, приводит к отчетливым откликам спинов.


Изображение №1

На изображении 1а показана схема датчика Холла* крестового типа, используемого для измерений демпфирующих (DL) и полевых (FL) SOT полей в мультислое Вт (5 нм) / CoFeB (0.6 нм) / MgO (2 нм) / Ta (3 нм). Мультислой был выращен на подложке [Pb(Mg_0.33Nb_0.66O₃)]_0.68 (011) (сокращенно PMN-PT), которая использовалась для электрической генерации механических напряжений. На 1b показан снимок устройства, сделанный оптическим микроскопом.

Эффект Холла* — возникновение поперечной разности потенциалов при размещении проводника с постоянным током в магнитное поле.

Устройства Холла бывают трех типов: а — датчик Холла крестового типа; b — разделитель тока; с — датчик магнетосопротивления.

Одноосная деформация в плоскости была получена путем приложения вне-плоскостного электрического поля постоянного тока к пьезоэлектрической PMN-PT(011) подложке.

Обычно реакция пьезоэлектрической деформации на приложенное электрическое поле имеет гистерезисный характер. Однако электрические поля, которые превышают коэрцитивное* поле, характерное для материала, полюсует подложку и приводят к режиму, в котором генерируемая деформация характеризуется линейным откликом.

Коэрцитивная сила* — значение напряженности магнитного поля, необходимого для полного размагничивания вещества.

Линейный режим поддерживается до тех пор, пока подложка не будет сдвинута в другом направлении путем приложения электрических полей, больших, чем противоположное коэрцитивное поле. Поэтому перед первыми измерениями, но после процесса структурирования, к PMN-PT подложке было применено полюсование посредством электрического поля +400 кВм^-1.

Далее использовали именно электрические поля постоянного тока, позволяющие изменять деформацию в режиме линейного отклика, поскольку это обеспечивает надежный электрический контроль над индуцированной деформацией.

Стоит также отметить, что пересечение Холла было изготовлено таким образом, чтобы его плечи были ориентированы вдоль направлений [011] и [100] подложки PMN-PT (011), которые соответствуют направлениям растяжения и сжатия соответственно.

Для начала была проведена характеризация магнитного гистерезиса системы при нулевом электрическом поле постоянного тока.

На изображении 1b показана аномальная линия напряжения Холла с вне-плоскостным магнитным полем (μ0 Гц), измеренная для W=CoFeB=MgO=Ta при 0 кВм^-1 (красная линия), демонстрирующая переключение легкой оси (оси легкого намагничивания), характерное для множеств тонких мультислоев CoFeB.

Цикл вне-плоскостного намагничивания, измеренный при 400 кВм^-1 (черная линия), накладывается поверх напряжения Холла (красная линия) и не показывает значительных изменений из-за генерируемой деформации. Это говорит о том, что система всегда имеет доминирующую перпендикулярную магнитную анизотропию.


Изображение №2

Графики выше показывают типичные внутри-плоскостные зависимости полей первой (V_1ω) и второй (V_2ω) гармоник напряжения Холла, когда к текущей линии был применен переменный ток с плотностью j_с = 3.8 х 10¹⁰ А/м².

Напряжение постоянного тока было установлено на 0, поэтому на кресте Холла не создавалось никакого напряжения. Графики продольного (2a) и поперечного (2b) полей демонстрируют ожидаемые симметрии: для продольного поля наклоны V_2ω и наклоны поля одинаковы для обоих направлений намагниченности вдоль +z (+M_z) или -z (-M_z), тогда как для поперечного поля их знак становится противоположным.

Далее ученые провели анализ поперечной (μ₀ΔH_T) и продольной (μ₀ΔH_L) компоненты поля SOT для обоих направлений намагниченности M_z и определили среднее значение этих компонент как функции приложенной плотности тока j_c (2c).


Изображение №3

Графики выше показывают результаты зависимости от электрического поля. Было определено, что полевой (FL) SOT существенно не меняется при растягивающих и сжимающих деформациях (3а и 3с). Напротив, на 3b видно, что растягивающая деформация увеличивает демпфирующий (DL) SOT в 2 раза при приложении 400 кВм^-1 (0.03% напряжение).

С другой стороны, когда ток течет вдоль направления деформации сжатия, величина DL момента уменьшается с увеличением деформации.

Из этого следует, что величина DL момента увеличивается при приложении электрически индуцированной растягивающей деформации и уменьшается при сжимающей деформации.

Чтобы понять микроскопическое происхождение экспериментально наблюдаемой деформационной зависимости FL и DL SOT, были проведены функциональные расчеты по методике теории функционала плотности электронной структуры Fe_1-xCo_x/W(001), состоящей из перпендикулярно намагниченного монослоя и немагнитных подложек.


Изображение №4

Как показано на 4а, во время расчетов кристаллическая структура намеренно расширялась или сужалась, сохраняя постоянную площадь в плоскости элементарной ячейки, чтобы учесть эффект одноосной деформации. Эта деформация может быть определена количественно по соотношению δ = (a’_j — a_j)/a_j, где a_j и a’_j обозначают постоянную решетки вдоль j-направления в плоскости в расслабленном и искаженном состоянии соответственно. Как следствие, любая конечная деформация уменьшает исходную симметрию кристалла с C_4v до C_2v.

Основываясь на расчетах электронной структуры, была получена зависимость SOT от δ (4b), которая проявляет те же качественные характеристики, что и в фактическом эксперименте.

Поскольку FL и DL SOT происходят из разных электронных состояний, они обычно следуют различным зависимостям от структурных особенностей. Было установлено, что величина DL момента линейно возрастает по отношению к растягивающей деформации и линейно уменьшается по отношению к сжимающей. Например, расширение решетки на 1% вдоль направления электрического поля значительно увеличивает проводимость DL моментов (примерно на 35%).

Чтобы более точно оценить это наблюдение, было проведено сравнение (4с) распределений в пространстве микроскопических вкладов в DL SOT для релаксированных и деформированных пленок. В отличие от занятых состояний вокруг точки М, которые являются едва важными, электронные состояния вблизи точек высокой симметрии Γ, X и Y составляют основной источник проводимости DL. В частности, растягивающая деформация способствует сильным отрицательным вкладам вокруг X и Y, что приводит к общему увеличению проводимости.

Чтобы связать полученные данные с имеющейся электронной структурой, ученые обратили внимание на орбитальную поляризацию состояний в магнитном слое, где преобладающей силой являются d электроны.

В то время как d_xy, d_{x² − y²} и d_z² не зависят от знака приложенной деформации δ, состояния d_yz и d_zxявно изменяются относительно деформации растяжения или сжатия. Примечательно, что эти орбитали также опосредуют гибридизацию с подложкой из тяжелого металла. Из этого следует, что их зависимость от структурных особенностей дает дополнительное понимание SOT в исследуемых тонких пленках.

В качестве примера ученые предлагаю рассмотреть деформационное изменение плотности состояний d_yz в магнитном слое по сравнению со случаем с четырехкратной вращательной симметрией (4d).

В то время как плотность состояний ↓* на уровне Ферми практически не зависит от деформации растяжения, состояния ↑ явно перераспределяются. Как показывает орбитальная поляризация на 4e, этот эффект обусловлен выраженными δ-управляемыми изменениями поляризации d_yz вокруг точки X, что коррелирует с изменениями проводимости DL (4с).

Спиновый канал* — одно из направления ориентации спина (вверх или вниз).

Индекс s = ↑, ↓ обозначает спиновое состояние электронов в ферромагнетиках: ↑ — спиновую подзону большинства электронов, ↓ — спиновую подзону меньшинства электронов. Кроме того, индекс s =↑, ↓ обозначает спиновое состояние электрона в спиновых каналах проводимости.

Используя данные, полученные из расчетов электронной структуры, ученые обнаружили, что различная природа наблюдаемых экспериментально особенностей FL и DL моментов происходит из уникальных изменений орбитальной поляризации электронных состояний из-за искажений решетки.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Как заявляют авторы труда, помимо раскрытия ключевой роли гибридизированных состояний на интерфейсе FM-HM, результаты исследования предлагают четкую схему для рукотворных спин-орбитальных явлений. Используя сложное взаимодействие спинового и орбитального магнетизма, спин-орбитальной связи и симметрии, можно адаптировать величину SOT в многослойных устройствах, создавая орбитальную поляризацию состояний вблизи энергии Ферми по отношению к деформации.

Стоит также отметить, что это исследование позволяет расширить возможности инженерии в области проектирования устройств с динамической настройкой SOT в перпендикулярно намагниченных многослойных системах с помощью электрически управляемого напряжения (механического).

Это громкое заявление обусловлено тем, что деформация может генерироваться локально и накладываться на выбранные части области переключения. Следовательно, можно настроить плотность тока таким образом, чтобы DL спин мог одновременно регулировать направление намагничивания в областях с напряжением, но не затрагивать области без напряжения. Затем выбранные области могут быть изменены по требованию за счет использования другой конфигурации электрических полей, что обеспечивает дополнительный уровень контроля.

Все это означает, что с помощью конкретных схем деформации областей переключения посредством электрических полей можно создать энергоэффективную многоуровневую ячейку памяти.

Приложение деформации к исследуемой структуре W=CoFeB=MgO во время опытов привело к отчетливо различным изменениям FL и DL спинов. Причем как отмечают ученые, DL спин может быть увеличен в 2 раза, если деформацию растяжения прикладывать параллельно течению тока.

Другими словами, можно получить прямой контроль над характеристиками процесса магнитного переключения посредством регулировки электрического поля, которое воздействует на пьезоэлектрический кристалл. Это приводит к значительному снижению энергопотребления, а также дает возможность создавать сложные архитектуры для хранения информации.

В дальнейшем ученые планируют продолжить как практические опыты, так и сопряженные с ними расчеты, чтобы выяснить, где и как возможно усовершенствовать этот сложный процесс. Однако, несмотря на сложность создания подобных систем, их потенциал крайне велик, ибо снижение энергопотребления приводит не только к экономии для провайдеров и потребителей услуг хранения информации, но и значительно снижает и без того сильное давление со стороны человечества на экологию.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?