Исследователи IMEC и компании Intel разработали спинтронное логическое устройство, совмещенное с элементами трековой памяти - «Наука и технологии»

Напомним нашим читателям, что спинтроника является одним из наиболее перспективных кандидатов на замену электроники в будущем. Современная электроника для хранения, передачи и обработки информации использует движение электронов, спинтроника же основана на другом ключевом параметре этих же электронов - на их вращении, которое называется угловым моментом или спином. В отличие от электронных устройств, спинтронным устройствам для работы требуется совсем немного энергии и они без дополнительных ухищрений способны запоминать информацию даже тогда, когда устройство отключается от источника питания.

С точки зрения физики вращение электрона генерирует магнитный момент. Когда большое количество электронов, имеющих одинаковый магнитный момент, располагаются близко друг к другу, их моменты синхронизируются и объединяются, вырабатывая магнитное поле достаточно большой силы. Такой регион с синхронизированными электронами называют магнитным доменом, а границы между двумя доменами называют стенами. На поверхности материала может существовать множество доменов, разделенных стенами, которые создают нечто вроде магнитной мозаики.

Спинтроника, использующая магнитные домены, уже используется для изготовления некоторых типов энергонезависимой памяти, к примеру, магниторезистивной памяти (magnetoresistive RAM, MRAM). Однако, использование крошечных магнитных явлений в целях выполнения логических операций является более трудным занятием. В 2018 году исследователи из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology, MIT) экспериментировали с ионами водорода, которые выступали в роли основы для первых спинтронных транзисторов, которые могут быть использованы для хранения или обработки информации.

А буквально недавно исследователи IMEC и компании Intel разработали первое в своем роде спинтронное устройство, работой которого можно управлять исключительно при помощи электрического тока, а не внешнего магнитного поля. Информация для обработки в новом спинтронном устройстве кодируется при помощи магнитных доменов, размещенных на поверхности наноразмерного проводника, который выступает в роли "файла с исходными данными". При помощи воздействия электрического тока на нанопроводник магнитные домены перемещаются в сторону одного из концов нанопроводника, туда, где находится детектор на базе туннельного магнитного перехода (magnetic tunnel junction, MTJ), подобный детекторам, используемым в головках современных жестких дисков.

Детектор считывает данные из магнитных доменов и передает их на вход логического элемента, который выполняет их обработку. Результаты обработки при помощи MTJ-детектора, выполняющего функцию обратного преобразования, записываются в виде магнитных доменов на поверхность другого нанопроводника, используя принцип записи, схожий с принципом записи информации в ячейки MRAM памяти.

Все это является первой реализацией принципа трековой памяти (racetrack memory), принцип работы которой был предложен более десятилетия назад. В этом типе памяти информация записывается в виде разграниченных стенками магнитных доменов на поверхность нанопроводника или нанотрубки. После этого, при помощи электрического тока магнитные домены сдвигаются, делая возможным чтение или запись очередной порции данных. В новом устройстве для изготовления нанопроводника были использованы последние достижения из области материаловедения, что позволило сдвигать "строку" магнитных доменов гораздо быстрее, чем это позволяют делать другие подобные технологии.

Отметим, что в данном направлении сейчас работает множество групп ученых. В прошлом, 2020 году, исследователи из Швейцарского федерального технологического института (Swiss Federal Institute of Technology, ETH) создали логические элементы, работающий на базе переходов через стенки между магнитными доменами, а исследователи из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology, MIT) разработали спинтронный аналог нейрона. Однако, во всех случаях для управления работой спинтронных устройств использовались внешние магнитные поля, что не очень подходит для практического применения.

В устройстве, разработанном IMEC-Intel, управление работой и все прочее производится при помощи электрических сигналов, что делает данное устройство (и технологию в целом) полностью совместимым с технологией CMOS, на базе которой изготавливаются все современные полупроводниковые устройства и чипы. Однако, исследователи находятся еще на ранней стадии своей работы и говорить о возможности практического применения новой технологии можно будет гораздо позже. А пока ученые сосредоточены на поисках новых материалов, более подходящих для изготовления спинтронных устройств, оптимизации технологии и разработке более сложных логических элементов.