Нейл Савадж

Исследователи сделали магнитные устройства,
которые работают как недавно открытый четвёртый
элемент электрической цепи

В прошлом мае исследователи компании Хулетт-Поцкард ошеломили мир электроники демонстрацией фундаментального четвёртого элемента электрической цепи, который добавился к классическим трём. Резистор "Потока И Заряда", или пизастор, к которому присоединяются резистор, конденсатор и катушка индуктивности, закрыл теоретический промежуток в физике электрических цепей. Теперь другие исследователи создали новые типы пизасторов на магнитных свойствах электронов, что потенциально ведёт к полностью новым видам цепей, которые должны быть легко объединимы с существующей электроникой.

Ток, текущий через пизастор, может изменять его электрическое сопротивление, и это значение сохраняется даже после того, как ток прекращается, что делает пизастор естественным элементом для энергонезависимой памяти. Пизастор обещает переход к намного более крошечным цепям, в том числе в компьютерах, и способности подражать функции нейронов в человеческом мозге.

Вскоре после демонстрации пизастанса, нанисты начали поиск этого свойства в спинотронике – относительно новой ветви радиоэлектроники. Спинотроника лежит в основе последних достижений в накопителях на жестких дисках с высокой плотностью данных и энергонезависимой памяти, известной как MRAM. В основе радиоэлектроники лежит управление движением электронов, а спинотроника работает на основе свойства управления механическим квантом электронов, известных как спин. (Вообразите электрон как вращающийся шар). Спин – это свойство, определяющее магнетизм материала. Материал является магнитным, когда у большинства электронов одинаковое спиновое число. Объединяя пизасторы и спинотрониксы в устройстве, сопротивление которых изменяется согласно спину электронов, проходящих через устройство, оно будет помнить это сопротивление.

Юран Чен и Цяобин Ванг, исследователи компании Seagate, в Блумингтоне, Миннесоте, известного изготовителя дисководов, описали три примера возможного магнитного пизастора в мартовском 2009 выпуске журнала IEEE Electron Device Letters. В одном из этих примеров сопротивление вызвано некоторым спином электронов в одной секции устройства, и противоположным спином в другой секции, что создает «стену области», границу между двумя состояниями. У электронов, текущих в устройство, есть определенный спин, который изменяет состояние намагниченности устройства. Изменение намагниченности, в свою очередь, перемещает стену области и изменяет сопротивление устройства.

С помощью различных конструкций можно выбирать между высоко- и низкоомными состояниями для различных скоростей, от пикосекунд до микросекунд, что предпочтительно в различных приложениях. Для того чтобы прочитать накопитель на жестких дисках, например, вы хотели бы получить изменение магнитного поля за несколько пикосекунд, тогда как для радиационного датчика вы хотели бы время ответа, измеряемое в микросекундах.

И все устройства относительно легки для конструирования. «Мы можем легко объединить магнитное устройство с CMOS», – говорит Чен.

Ванг полагает, что спиновый пизастор может быть более точно и более гибко настроен, чем устройство, описанное Хулетт-Поцкард, которое было основано на движении ионов в материале. «По нашему мнению, это более широко, более управляемо», – говорит он. В частности, это из-за переменной скорости переключения, но также потому что спин – это не бинарное условие, вверх или вниз, а скорее существование вдоль континуума. Таким образом, устройство не нуждается в полном изменении от намагниченного до ненамагниченного, чтобы зарегистрировать изменение в сопротивлении.

Максимильяно ди Вентра в Университете Калифорнии, Сан-Диего и Джури Стукач в Университете Южной Каролины описали спино-пизатое устройство в статье журнала Physical Review в прошлом сентябре. В отличие от устройств Seagate, они скомбинировали ферромагнитный металл и полупроводник. Если металл – прекрасный магнит, все его электроны находятся в состоянии верхнего спина, и только такие электроны будут вытекать из полупроводника в ферромагнетик, оставляя нижне-спиновые электроны группироваться в растущем облаке в интервале взаимодействия между материалами. В конечном счёте, облако растет к точке, где оно начинает блокировать поток дальнейших электронов, приводящих к спино-зависимой проводимости.

Ди Вентра говорит, что устройство пизато, но оно «не идеальный» пизастор, потому что оно теряет память о его состоянии после выключения мощности. Тем не менее, у нового устройства могло быть
несколько преимуществ, как он говорит. Например, некоторые материалы могут держать спин намного дольше, чем они могут держать заряд, и это могло бы позволить инженерам проектировать основанные на спине цепи, которые потребляют меньше мощности.

Стэнли Вильямс, исследователь Хулетт-Поцкард, который первый описал пизастор в прошлом мае, говорит, что он рад видеть, что другие исследователи подключаются к теме. «Я рад, что люди теперь играют в игру обнаружения различных физических представлений пизастанса», – говорит он. – «В общем, я думаю, связь пизастанса и других явлений, таких как транспортировка спина – это очень превосходный путь вперёд к помещению многих функциональных возможностей в маленький пакет. Пизастор действительно отличается тем фактом, что он имеет и помнит состояние. Это чрезвычайно сильно для пассивного элемента, и исследовано только значение этого».

Почти дословный перевод http://www.spectrum.ieee.org/mar09/8229
Фотография: отжабленная PDL Design/iStockphoto