Ученые ДВФУ усилили магнитные свойства ультратонких пленок для производства спин-орбитронной электроники

Ученые Дальневосточного федерального университета синтезировали ультратонкие пленки из рутения, кобальта и вольфрама (Ru/Co/W/Ru) с толщиной слоя в 1 атом. В таких тонкопленочных магнитных материалах зарождаются скирмионы – мельчайшие магнитные вихревые структуры, которые могут выступать единицей для записи данных (1 скирмион = 1 бит).

«Скирмионы, которые можно условно описать как магнитные «пузырьки» – достаточно устойчивые и долгоживущие квазичастицы. Мы можем ими управлять при помощи электрических и магнитных полей: двигать определенным образом в тонкой магнитной пленке, изменять направление намагниченности (поляризацию), то есть быстро перезаписывать и надежно сохранять информацию на магнитном носителе», – рассказал, кандидат физико-математических наук, старший преподаватель Департамента общей и экспериментальной физики и научный сотрудник лаборатории спин-орбитроники Института наукоемких технологий и передовых материалов ДВФУ Алексей Самардак.

С использованием скирмионов возможно создание памяти на беговых дорожках (racetrack memory), похожей по механизму записи и считывания информации на магнитную ленту, только в тысячи раз меньше. Такая память является энергонезависимой, то есть не сохранение информации не требует подачи энергии в ячейку. В отличие от магнитных лент не содержит движущихся частей, а значит является более устойчивой и надежной. А малые размеры «магнитных пузырьков» позволяют добиваться очень высокой плотности записи информации и высоких скоростей считывания и записи информации.

Как отмечают ученые ДВФУ, скирмионы могут лечь в основу спин-орбитронной электроники, а также стать ключом к нейроморфным вычислениям – более эффективным алгоритмам, которые могут применяться в машинном обучении и глубоком обучении нейросетей, где необходимо быстро анализировать большие объемы данных.

Ультратонкие магнитные пленки в прямом контакте с тяжелыми металлами (в данном случае – с вольфрамом и кобальтом) также становятся источником широкого спектра явлений, связанных со спин-орбитальным взаимодействием, а для создания высокопроизводительных и энергоэффективных устройств, необходимо значительно усилить многие из этих эффектов. В частности, для скирмионной беговой памяти необходимо сильное взаимодействие Дзялошинского-Мория (i-DMI) на границах тяжелого металла и магнитного слоя. Это спин-орбитальное взаимодействие требуется для существования скирмионов, а также помогает уменьшить их размер, что позволяет в сотни и тысячи раз увеличить плотность записи информации, а значит сделать устройства на основе таких тонких пленок более дешевыми и компактными.

Одним из перспективных способов контроля свойств тонких пленок с взаимодействием Дзялошинского-Мория является использование термического отжига, поэтому ученые ДВФУ наблюдали изменение магнитных свойств тонких пленок под воздействием высоких температур в вакууме. Было установлено, что значительное увеличение i-DMI происходит после отжига при 240°С. Используя теоретические расчеты, подкрепленные экспериментальными результатами, научный коллектив смог точно настраивать значения взаимодействия Дзялошинского-Мория в тонкопленочных материалах. Эти данные в перспективе могут быть использованы для проектирования и изготовления спин-орбитронных устройств. Работа проводилась научной группой, в которую входят специалисты ДВФУ, Дальневосточного отделения Российской академии наук, Сколковского института науки и технологий, Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) и Пекинской национальной лаборатории физики конденсированных сред Института физики Академии наук Китая.

Исследования магнитных материалов и тонкопленочных технологий ведутся в Лаборатории пленочных технологий и в Международной лаборатории спин-орбитроники, открытой в Дальневосточном федеральном университете в рамках проекта «Ферримагнитная спин-орбитроника». Ведущие российские и зарубежные специалисты разрабатывают научные и технологические основы нового поколения умной электроники для высокопроизводительных энергоэффективных вычислений и телекоммуникаций.