Исследователи сделали важный шаг вперёд в области спинтроники — технологии, которая использует не только заряд, но и спин электронов для создания более быстрых, интеллектуальных и энергоэффективных электронных устройств. Их открытие может проложить путь к следующему поколению чипов памяти, сочетающих высокую скорость и низкое энергопотребление.
В спинтронике информация хранится с помощью крошечных магнитных областей, называемых магнитными доменами. Магнитный домен с магнитными моментами, направленными вверх, представляет «1», а с моментами, направленными вниз, — «0». Данные можно считывать или записывать путём смещения этих доменов с помощью электрического тока.
Границы между ними, известные как доменные стенки, играют решающую роль, поскольку перемещение доменов означает перемещение этих стенок. Для разработки усовершенствованных запоминающих устройств, таких как магнитные сдвиговые регистры и трёхконтактные магнитные запоминающие устройства с произвольным доступом (MRAM), необходимо обеспечить быстрое и эффективное перемещение доменных стенок.
Исследователи сосредоточились на искусственной антиферромагнитной тонкой плёнке, состоящей из слоёв кобальта (Co), иридия (Ir) и платины (Pt). Эта тщательно сконструированная структура, в которой два слоя Co разделены слоем Ir и зажаты между слоями Pt, обеспечивает выравнивание двух слоёв Co в противоположных направлениях — это называется антиферромагнитной связью. Слои Pt способствуют движению в материале через явление, называемое эффектом спин-Холла, которое генерирует потоки спинов электронов, воздействующих на магнитные моменты в слоях Co.
На первый взгляд может показаться, что спины, генерируемые сверху и снизу слоями Pt, будут нейтрализовать друг друга из-за противоположной ориентации. Однако команда обнаружила, что эти противодействующие силы на самом деле уникальным образом объединяются, совместно перемещая доменные стенки, а не останавливая их. Этот механизм двойного крутящего момента был подтверждён как экспериментально, так и с помощью численного моделирования, что стало первой демонстрацией такого типа спинового движения в подобном материале.
Исследователи пошли ещё дальше, введя тонкий градиент в толщину слоёв Co, нарушив симметрию структуры. Это создало дополнительное эффективное магнитное поле, облегчающее перемещение доменных стенок. По мере увеличения этого поля для приведения движения требовалось меньше тока, а стенки двигались быстрее, что позволило более эффективно обрабатывать информацию.
Результаты открывают новые возможности для энергосберегающих высокоскоростных устройств спинтроники. Такие технологии, как память на основе доменных стенок и трёхконтактные MRAM, использующие этот тип движения доменных стенок, могут сыграть ключевую роль в цифровой инфраструктуре, поддерживающей искусственный интеллект и Интернет вещей.
«Наши результаты показывают новый способ управления движением доменных стенок с помощью комбинированных спиновых крутящих моментов в искусственном антиферромагнетике», — сказала исследовательская группа. «Это открытие может приблизить нас к созданию спинтроник-устройств следующего поколения, которые будут работать быстрее и потреблять гораздо меньше энергии, чем современная электроника», — сказал Такеши Секи, профессор Института материаловедения при Тохокуском университете и соавтор статьи, опубликованной в журнале Advanced Science 17 октября 2025 года.
Пока спинтроника традиционно полагалась на ферромагнитные материалы, антиферромагнитная спинтроника теперь становится многообещающей областью, предлагая потенциал для большей миниатюризации и более высоких скоростей работы. Демонстрация командой движения доменных стенок, вызванного током, в искусственной антиферромагнитной структуре знаменует собой важную веху на пути к этой цели.
В дальнейшем они намерены точно настроить эффективные магнитные поля, управляющие этим движением, раскрывая ещё более высокие характеристики и выводя спинтронику в новую эру.
Предоставлено Тохокуским университетом.