Informacje są przechowywane przez zależny od głębokości kierunek namagnesowania w ściankach domen, które znajdują się pomiędzy domenami cylindrów a ich otoczeniem. To namagnesowanie ścian domeny może być skierowane zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara w poszczególnych blokach, które są oddzielone pionowo warstwami rutenu. Systematycznie zmieniając te kierunki, badacze mogą kodować różne sekwencje bitów w domenie cylindra, jak pokazano tutaj z pewną interpretacją artystyczną. Źródło: HZDR/Bernd Schröder
Naukowcy przechowywali sekwencje bitów w cylindrycznych domenach magnetycznych, korzystając z technologii 3D metamateriały. Ta innowacja może zmienić sposób przechowywania danych i magnetoelektronikę.
Po raz pierwszy naukowcy wykazali, że nie tylko pojedyncze bity, ale całe sekwencje bitów można przechowywać w cylindrycznych domenach: maleńkich, cylindrycznych obszarach mierzących zaledwie około 100 nanometrów. Jak relacjonuje zespół w dzienniku Zaawansowane materiały elektroniczneodkrycia te mogą utorować drogę nowym rodzajom przechowywania danych i czujników, w tym nawet magnetycznym wariantom sieci neuronowych.
Przełomowe przechowywanie magnetyczne
„Domena cylindryczna, którą my, fizycy nazywamy również domeną bąbelkową, to mały, cylindryczny obszar w cienkiej warstwie magnetycznej. Jego spiny, czyli wewnętrzny moment pędu elektronów, który generuje moment magnetyczny w materiale, są skierowane w określonym kierunku. Tworzy to namagnesowanie, które różni się od reszty otoczenia. Wyobraźcie sobie małą bańkę magnetyczną w kształcie cylindra unoszącą się w morzu o przeciwnym namagnesowaniu” – mówi prof. Olav Hellwig z Helmholtz-Zentrum Drezno-RossendorfInstytutu Fizyki Wiązek Jonowych i Badań Materiałów, opisując przedmiot swoich badań. On i jego zespół są przekonani, że takie struktury magnetyczne mają ogromny potencjał w zastosowaniach spintronicznych.
Ściany domen i gęstość danych
Na krawędziach tej cylindrycznej domeny tworzą się ściany domen, obszary prążkowe, w których zmienia się kierunek namagnesowania. W technologii przechowywania magnetycznego, nad którą pracuje zespół Hellwiga, kluczowe będzie precyzyjne kontrolowanie struktury spinu w ścianie domeny, ponieważ jej kierunek zgodny z ruchem wskazówek zegara lub przeciwny do ruchu wskazówek zegara będzie mógł być bezpośrednio wykorzystany do kodowania bitów.
Naukowcy skupiają się także na innym aspekcie: „Nasze obecne dyski twarde, o szerokości ścieżki od 30 do 40 nanometrów i długości bitów od 15 do 20 nanometrów, mieszczą około jednego terabajta na powierzchni wielkości znaczka pocztowego. Pracujemy nad przezwyciężeniem tego ograniczenia gęstości danych poprzez rozszerzenie pamięci masowej na trzeci wymiar” – wyjaśnia Hellwig.
Rozwiązanie: Metamateriały w 3D
Magnetyczne struktury wielowarstwowe są atrakcyjnym sposobem kontrolowania wewnętrznej struktury spinowej ścian domen, ponieważ zaangażowane energie magnetyczne można regulować poprzez łączenie różnych materiałów i grubości warstw. Zespół Hellwiga użył bloków naprzemiennych warstw kobaltu i platyny, oddzielonych warstwami rutenu, i osadził je na płytkach krzemowych.
Powstały metamateriał to syntetyczny antyferromagnes. Jego szczególną cechą jest pionowa struktura magnesowania, w której sąsiednie bloki warstw mają przeciwne kierunki namagnesowania, co daje w sumie neutralne namagnesowanie netto.
Pamięć toru wyścigowego i struktury wielowarstwowe
„W tym miejscu pojawia się koncepcja pamięci „toru wyścigowego”. System przypomina tor wyścigowy, na którym bity są ułożone jak sznur pereł. Genialną cechą naszego systemu jest to, że możemy konkretnie kontrolować grubość warstw, a tym samym ich właściwości magnetyczne. Dzięki temu możemy dostosować zachowanie magnetyczne syntetycznego antyferromagnesu, aby umożliwić przechowywanie nie tylko pojedynczych bitów, ale całych sekwencji bitów, w postaci zależnego od głębokości kierunku magnesowania ścian domeny” – wyjaśnia Hellwig.
Otwiera to perspektywę transportu takich wielobitowych domen cylindrycznych wzdłuż magnetycznych autostrad danych w kontrolowany, szybki i energooszczędny sposób.
Przyszłe zastosowania w magnetoelektronice
Istnieje również potencjał do innych zastosowań w magnetoelektronice. Można je na przykład zastosować w czujnikach magnetorezystancyjnych lub elementach spintronicznych. Ponadto takie złożone nanoobiekty magnetyczne mają ogromny potencjał w zakresie implementacji magnetycznych w sieciach neuronowych, które mogłyby przetwarzać dane w taki sam sposób jak ludzki mózg.
Odniesienie: „Wielowarstwowe metamateriały z domenami ferromagnetycznymi oddzielonymi ścianami domen antyferromagnetycznych” Ruslana Salikhova, Fabiana Samada, Sebastiana Schneidera, Dariusa Pohla, Bernda Rellinghausa, Benny’ego Böhma, Rico Ehrlera, Jürgena Lindnera, Nikolai S. Kiselev i Olav Hellwig, 13 maja 2024 r. , Zaawansowane materiały elektroniczne.
DOI: 10.1002/aelm.202400251
