Учёные из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне разработали новаторский метод, позволяющий проводить непосредственные измерения нагрева в спинтронных устройствах. Этот подход может оказать помощь в подборе спинтронных материалов с минимальной магнетической подверженностью нагреву, что поспособствует созданию более быстрых устройств.
Спинтроника представляет собой область науки и техники, объединяющую микроскопический магнетизм и электрический ток для разработки устройств, способных работать наравне с традиционной электроникой, но при этом значительно более энергоэффективных. Однако, важным нерешённым вопросом остаётся влияние нагрева на функционирование этих устройств.
«Спинтронные устройства зависят от способности изменять намагниченность под воздействием электрических токов, но есть два возможных механизма этого: электромагнитное взаимодействие с током либо увеличение температуры, вызванное током. Для оптимизации работы устройства необходимо глубже понять основополагающую физику. Именно это и помог сделать наш метод», — заявил Аксель Хоффманн, руководитель проекта и профессор материаловедения и инженерии в Иллинойсе.
В отличие от электроники, использующей электрические сигналы для хранения информации и выполнения вычислений, спинтроника опирается на фундаментальное свойство электронов — спин, что приводит к магнитному поведению. Благодаря своей магнитной природе, работа этих устройств потенциально требует гораздо меньше энергии по сравнению с электронными аналогами. Предполагается, что спинтроника, управляемая высокоскоростной электроникой, сможет сохранять энергоэффективность при аналогичной скорости работы традиционных компьютеров. «Это как объединение лучших свойств обеих областей», — отметил Хоффманн.
Основная проблема заключалась в поиске материалов, подходящих для таких устройств. Антиферромагнетики привлекли внимание своим периодическим расположением противоположных спинов и ограниченной чувствительностью к соседним устройствам. Чтобы использовать эти материалы для памяти и вычислений, спиновая структура должна управляться электрическим током. Для этого требуются токи такой величины, что температура устройства повышается до уровня, где тепловые эффекты начинают влиять на спиновую структуру.
«Продолжаются дебаты о том, ответен ли ток напрямую за изменения спина или же доминирующим фактором является нагрев. Если это токовый эффект, то его можно сделать очень быстрым. Если это тепловой эффект, важнее теплопроводность и тепловая релаксация, которые могут ограничить скорость устройства. Потому точное функционирование устройства зависит от того, какая физика за этим стоит», — пояснил Хоффманн.
Прошлые попытки понять важность токовых и тепловых эффектов осложнялись невозможностью напрямую измерять нагрев в таких малых устройствах. Мён-Ву Ю, научный сотрудник в группе Хоффмана, продемонстрировал экспериментальный метод, в котором тепловые эффекты определяются по тому, как устройство нагревает подложки с различной теплопроводностью.
«Мы подготовили антиферромагнитные образцы на подложках из диоксида кремния разной толщины. Способность подложки проводить тепло уменьшается с её увеличением, что означает повышение температуры в антиферромагнетиках на более толстых образцах при приложении того же электрического тока. Если нагрев устройства важен для изменения спиновой структуры, то мы увидим различия между устройствами на различных подложках», — отметил Ю.
Исследователи выявили, что нагрев значительно влияет на антиферромагнетик Mn 3 Sn. Однако они подчеркивают, что существует множество других антиферромагнетиков, рассматриваемых для применения в спинтронике, и их метод позволяет систематически сравнивать роль нагрева с эффектами электрического тока.
«Теперь у нас есть чёткая стратегия для оценки влияния электрического нагрева в спинтронных устройствах. Более того, это легко реализуемо в широком диапазоне систем, включая стандартную электронику. Этот методологический подход можно использовать для оптимизации функциональности в любом типе микроскопических устройств», — сказал Ю.
Источник: iXBT
