Трое физиков из Виргинского университета Содружества составили теоретическое описание наноразмерного магнитного элемента, изменяющего хранимое им значение бита при подаче чрезвычайно малого напряжения.
«Обычное» устройство вроде полевого МОП-транзистора переключается путём введения в активную область (или извлечения из неё) некоторого заряда ΔQ с приложением градиента потенциала ΔV; это ведёт к неизбежному рассеянию энергии ΔQ•ΔV. Использование спина для представления битов кажется более выгодным, поскольку спиновые элементы обходятся без перемещений заряда.
К сожалению, все теоретические преимущества однодоменного наномагнита — совокупности совместно переворачивающихся спинов — сводят на нет неэффективные методы изменения его состояния: обычно энергия, рассеиваемая в переключающей схеме, намного превосходит рассеиваемую в магните. Такое соотношение наблюдается и при переключении с помощью магнитного поля, создаваемого током, и при использовании поляризованного по спину тока, который вызывает перенос спинового момента или перемещение доменных стенок. Относительно эффективным считается только последний механизм, поскольку он позволяет переключить наномагнит за 2 нс с небольшим рассеянием энергии в 104-105 kT (произведение постоянной Больцмана k на температуру, напомним, может играть роль единицы энергии, при T = 25 ˚C соответствующей 4,11•10-21 Дж).
Недавно был предложен новый способ поворачивания намагниченности в элементе, включающем магнитострикционный и пьезоэлектрический слои: необходимо приложить электростатический потенциал к пьезослою и добиться его деформирования, после чего эта деформация естественным образом передаётся более тонкому магнитострикционному участку, который изменяет состояние намагниченности. Подобная схема проверялась в эксперименте и доказала свою работоспособность.
Авторы рассмотрели модель такого наномагнита с 10-нанометровым магнитострикционным слоем, выполненным из терфенола-Д, и пьезоэлектрическим слоем из цирконата-титаната свинца толщиной в 40 нм. Магнит имел эллиптическое сечение с большой осью в ~102 нм и малой осью в ~98 нм, и два направления намагниченности, параллельные большой оси, считались стабильными и кодировали значения «0» и «1». Высота энергетического барьера, разделяющего эти две ориентации, была принята равной 0,8 эВ (при комнатной температуре — 32 kT).
Зависимость общей рассеиваемой энергии (Еобщ) и энергии, рассеиваемой в схеме переключения (C•V2), от временнóй задержки (скорости переключения). Приведены данные по терфенолу-Д и двум другим материалам, которые можно использовать в магнитострикционном слое. (Иллюстрация из журнала Applied Physics Letters.)
Рассеиваемая в процессе переключения энергия Еобщ складывается из произведения C•V2, где C — ёмкость пьезоэлектрического слоя, а V — напряжение, прикладываемое к нему, и некоторого параметра Еd, сравнимого по величине с амплитудой изменения энергетического барьера (тем, насколько сильно его приходится опускать) при переворачивании намагниченности. Следовательно, для расчёта зависимости Еобщ от времени переключения τ физикам пришлось определять требуемую величину деформации для каждого τ, напряжение, которое даст такую деформацию, а также значения C и Еd.
Как выяснилось, при переключении за 100 нс полная рассеиваемая энергия должна составлять 45 kT, а τ = 10 нс соответствует Еобщ = 70 kT. Заметим: уменьшение времени в 10 раз приводит к увеличению рассеиваемой энергии всего в 1,6 раза. По мнению учёных, устройства с такими скромными запросами прекрасно подойдут для использования в имплантируемых датчиках, где они смогут обходиться той энергией, которую даёт естественное движение тела пациента.
Полная версия отчёта опубликована в журнале Applied Physics Letters; препринт статьи можно скачать с сайта arXiv.
По материалам: Американского института физики.