Троє фізиків з Віргінського університету Співдружності склали теоретичний опис нанорозмірному магнітного елемента, що змінює збережене їм значення біта при подачі надзвичайно малого напруги.

«Звичайне» пристрій на зразок польового МОП-транзистора переключається шляхом введення в активну область (або витяги з неї) деякого заряду ΔQ з додатком градієнта потенціалу ΔV; це веде до неминучого розсіювання енергії ΔQ • ΔV. Використання спина для подання бітів здається більш вигідним, оскільки спінові елементи обходяться без переміщень заряду.

На жаль, всі теоретичні переваги однодоменного наномагніти – сукупності спільно перевертається спинов – зводять нанівець неефективні методи зміни його стану: зазвичай енергія, що розсіюється в перемикає схемою, набагато перевершує рассеиваемую в магніті. Таке співвідношення спостерігається і при перемиканні за допомогою магнітного поля, створюваного струмом, і при використанні поляризованого по спину струму, який викликає перенесення спінового моменту або переміщення доменних стінок. Щодо ефективним вважається тільки останній механізм, оскільки він дозволяє переключити наномагніт за 2 нс з невеликим розсіюванням енергії в 104-105 kT (твір постійної Больцмана k на температуру, нагадаємо, може грати роль одиниці енергії, при T = 25 ˚ C відповідної 4,11 • 10-21 Дж).

Нещодавно був запропонований новий спосіб повертання намагніченості в елементі, що включає магнітострикційний і п'єзоелектричний шари: необхідно докласти електростатичний потенціал до пьезослою і домогтися його деформування, після чого ця деформація природним чином передається більш тонкому магнітострикційне ділянці, який змінює стан намагніченості. Подібна схема перевірялася в експерименті і довела свою працездатність.

Автори розглянули модель такого наномагніти з 10-нанометрових магнітострикційні шаром, виконаним з терфенола-Д, і п'єзоелектричним шаром з цирконату-титанату свинцю товщиною в 40 нм. Магніт мав еліптичне перетин з великою віссю в ~ 102 нм і малої віссю в ~ 98 нм, і два напрямки намагніченості, паралельні великої осі, вважалися стабільними і кодували значення «0» і «1». Висота енергетичного бар'єру, що розділяє ці дві орієнтації, була прийнята дорівнює 0,8 еВ (при кімнатній температурі – 32 kT).

Залежність загальної розсіюваною енергії (Еобщ) і енергії, що розсіюється в схемі перемикання (C • V2), від временнóй затримки (швидкості перемикання). Наведено дані по терфенолу-Д і двом іншим матеріалам, які можна використовувати в магнітострикційне шарі. (Ілюстрація з журналу Applied Physics Letters.)

Розсіюється в процесі перекюченія енергія Еобщ складається з твору C • V2, де C – ємність п'єзоелектричного шару, а V – напруга, що прикладається до нього, і деякого параметра Еd, порівнянного за величиною з амплітудою зміни енергетичного бар'єру (тим, наскільки сильно його доводиться опускати) при перевертанні намагніченості. Отже, для розрахунку залежності Еобщ від часу перемикання τ фізикам довелося визначати необхідну величину деформації для кожного τ, напругу, яка дасть таку деформацію, а також значення C і Еd.

Як з'ясувалося, при перемиканні за 100 нс повна розсіює енергія повинна становити 45 kT, а τ = 10 нс відповідає Еобщ = 70 kT. Зауважимо: зменшення часу в 10 разів приводить до збільшення розсіюваною енергії всього в 1,6 рази. На думку вчених, пристрої з такими скромними запитами чудово підійдуть для використання в імплантованих датчиках, де вони зможуть обходитися тією енергією, яку дає природний рух тіла пацієнта.

Повна версія звіту опублікована в журналі Applied Physics Letters; препринт статті можна завантажити з сайту arXiv.

За матеріалами: Американського інституту фізики.

Tweet