Чисто электрические микросхемы памяти, которые обычно используются сегодня, имеют существенный недостаток: «Эта память непостоянна, и ее состояние должно постоянно обновляться», — говорит д-р Тобиас Косуб, первый автор исследования и постдокторский исследователь в Центре Гельмгольца. Дрезден-Россендорф (HZDR). «Это требует довольно много энергии».
Последствия можно увидеть, например, в крупных вычислительных центрах. С одной стороны, их счета за электроэнергию растут с увеличением вычислительной мощности. С другой стороны, чипы все больше нагреваются из-за их энергопотребления. Центрам обработки данных становится все труднее отводить это тепло.
Некоторые облачные операторы даже устанавливают свои серверные фермы в холодных регионах.Этим микросхемам электрической памяти есть альтернатива. MRAM сохраняют данные магнитным способом и поэтому не требуют постоянного обновления.
Однако для записи данных в память им требуются относительно большие электрические токи, что снижает надежность: «Они грозят изнашиваться слишком быстро и выходить из строя, если в процессе записи или чтения возникают перебои», — говорит Косуб.Электрическое напряжение вместо токаПоэтому научный мир уже довольно давно работает над альтернативами MRAM. Один класс материалов, называемый «магнитоэлектрические антиферромагнетики», кажется особенно многообещающим.
Эти магниты активируются электрическим напряжением, а не током. «Эти материалы нелегко контролировать», — объясняет лидер группы HZDR д-р Денис Макаров. «Трудно записать в них данные и прочитать их снова». До сих пор предполагалось, что эти магнитоэлектрические антиферромагнетики могут быть считаны только косвенно через ферромагнетики, что, однако, сводит на нет многие из преимуществ.
Поэтому целью является создание чисто антиферромагнитной магнитоэлектрической памяти (AF-MERAM).Это именно то, что сейчас удалось сделать исследовательским группам из Дрездена и Базеля. Они разработали новый прототип AF-MERAM на основе тонкого слоя оксида хрома. Он вставляется — как начинка для сэндвичей — между двумя электродами нанометровой толщины.
Если на эти электроды подается напряжение, оксид хрома «переходит» в другое магнитное состояние — и бит записывается. Дело в том, что достаточно нескольких вольт. «В отличие от других концепций, мы могли снизить напряжение в 50 раз», — говорит Косуб. «Это позволяет нам писать немного без чрезмерного потребления энергии и нагрева». Особой проблемой была возможность снова прочитать записанный бит.Для этого физики прикрепили слой платины нанометровой толщины поверх оксида хрома.
Платина позволяет считывать показания с помощью особого электрического явления — аномального эффекта Холла. Фактический сигнал очень мал и перекрывается сигналами помех. «Однако мы могли бы разработать метод, который подавил бы бурю помех и позволил бы получить полезный сигнал», — описывает Макаров. «Фактически, это был прорыв».
По словам профессора Оливера Г. Шмидта из Дрезденского института исследований твердого тела и материалов им. Лейбница, который также участвовал в исследовании, результаты выглядят очень многообещающими: кремниевая технология ". Теперь исследователи собираются развить концепцию дальше.«Пока что материал работает при комнатной температуре, но только в узком окне», — говорит Косуб. «Мы хотим значительно расширить ассортимент за счет выборочного изменения оксида хрома». Важный вклад в достижение этой цели внесли коллеги из Швейцарского института нанонаук и факультета физики Базельского университета.
Их новый метод исследования впервые позволяет получать изображения магнитных свойств оксида хрома с наноразмерным разрешением. Теперь специалисты стремятся объединить несколько элементов памяти в одном чипе.
Пока реализован только один элемент, который может хранить только один бит. Следующим шагом, решающим для возможных приложений, является создание массива из нескольких элементов. «В принципе, такие микросхемы памяти можно изготавливать стандартными методами, применяемыми производителями компьютеров», — говорит Макаров. «Это одна из причин, по которой промышленность проявила большой интерес к таким компонентам».