Новые механизмы, энергоэффективность и хранение — куда движется память будущего?

Контактный центр

RU EN

Версия для слабовидящих

19 октября 2022 — Новости ДВФУ

#Наука

Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) и Института физики Китайской академии наук совместно разрабатывают новый механизм создания магнитной памяти. В его основе лежат принципы спин-орбитроники — новой области науки и техники, которая ориентирована на прорывные решения в сфере энергоэффективной электроники. Результаты работы опубликованы в научном журнале Nano Letters. Подробности читайте в нашем материале.

Магнитная память, построенная на основе спин-орбитронных эффектов, — это память нового поколения, благодаря которой могут появиться более быстрые и энергоэффективные устройства. К примеру, время автономной работы от одной зарядки телефонов или ноутбуков с такой памятью увеличится в несколько раз, а при отключении электроэнергии персональные компьютеры перестанут терять записанные в оперативную память данные из-за измененного подхода к процессам записи и считывания информации и ее сохранения. Разрабатываемая память пригодится в отраслях, где используются компьютеры для расчетов — от центров обработки данных до автономных автомобилей и метеопрогнозов. В дальнейшем это откроет новые возможности для реализации аппаратных систем искусственного интеллекта и квантового компьютера.

Ученые ДВФУ разрабатывают магнитную память, руководствуясь принципами спин-орбитроники. Запись в такой памяти осуществляется спиновым током без приложения внешних магнитных полей, а информация хранится без потребления энергии. В целом же ключевая задача спин-орбитроники и заключается в исследовании магнитных материалов и создании элементной базы нового типа для энергоэффективной электроники. Чем же спин-орбитроника принципиально отличается от других направлений науки?

Спин-орбитроника vs электроника

Многим известно, что электроника — это область науки и техники, в основе которой лежат такие понятия, как электрический заряд и взаимодействие заряженных частиц, а также способы управления ими с помощью электромагнитного воздействия. На этих принципах создана элементная база различных устройств и приборов: компьютеров, телефонов, медицинского оборудования и вычислительной техники. В электронике информация передается, хранится и обрабатывается как электрический заряд.

Спин-орбитроника базируется на принципиально другом подходе. Устройства спин-орбитроники также могут хранить и обрабатывать информацию, но без физического переноса заряженных частиц (электрического тока).

При записи информации изменяется намагниченность материала, то есть направление атомных магнитных моментов, которые для простоты именуют спинами. Для управления ориентацией спина можно использовать магнитное поле, оптическое излучение или электрический ток. В спин-орбитронике исследователи сфокусировали свои усилия на изучении взаимодействия магнитных моментов с электрическим током.

Это привело к открытию механизма переключения спинов за счет взаимодействия со спин-поляризованным током. В устройствах спин-орбитроники запись информации в виде нулевого бита либо единицы условно определяется направлениями «спин-вверх» и «спин-вниз». Механическим аналогом спина является крутящийся волчок, который стремится сохранить состояние равновесия. Вращение по часовой либо против часовой стрелки определяет направление спина — вверх или вниз.

Образцы магнитных структур

Но тут возникает вопрос: какая разница, каким способом хранить информацию? Все зависит от того, какие цели мы преследуем. Нам важно не тратить впустую электроэнергию, хранить данные на надежном устройстве и получать к ним быстрый доступ. Ученые отмечают, что спиновые системы более энергоэффективны, быстры и надежны, чем традиционные системы записи и хранения информации, такие как жесткие магнитные диски (HDD), твердотельная память (SSD) и оперативная память (DRAM, SRAM).

В поисках идеальной среды для спинов: поляризаторы, магниты и DMI

Спин остается в своем состоянии вне зависимости от поля или тока, то есть им можно управлять и при необходимости повернуть в нужную сторону, но для этого нужно использовать внешнее воздействие. В качестве такого воздействия ученые ДВФУ используют внешнее магнитное поле или импульсный ток. В этой связи существует несколько подходов для создания новых магнитных наноструктурированных материалов.

Первый подход — использование поляризаторов для управления спинами. Ученые выявили еще 20 лет назад, что если пропускать ток через слой ферромагнитного материала, то электроны поляризуются, и спин будет совпадать с направлением намагниченности в слое.

Такие материалы не позволят регулировать направление спинов, но помогут «заставить» электроны с хаотичным направлением спинов перейти в спин-поляризованное, то есть упорядоченное состояние. Данный подход обладает существенным недостатком, так как если мы уменьшаем толщину ферромагнитного слоя, то через него сложно пропустить электрический ток, поэтому спин-поляризационный эффект становится мал. Это ограничивает применение данного подхода в спин-орбитронике.

Второй подход предполагает использование специальной среды — пленок из материалов с сильной спин-орбитальной связью, например из вольфрама или платины. При прохождении электронов в таких пленках наблюдают спиновый эффект Холла, при котором электроны распределяются в пространстве на две группы: электроны со «спином-вверх» и со «спином-вниз».

Как это работает? Пропускание тока через тонкий слой металлов (W, Pt) приводит к поляризации электронов вследствие спинового эффекта Холла. При этом электроны со «спином-вверх» собираются у верхнего края пленки.

Эти электроны могут проходить в вышележащий магнитный слой и переключать его намагниченность, но только в том случае, если намагниченность немного подвернута. Подворот намагниченности проще всего создать постоянным внешним магнитным полем, однако такой подход не может быть использован локально в нанометровом масштабе.

Эта задача была решена в рамках совместной работы ученых из ДВФУ и Китая, которые предложили использовать многослойную структуру, включающую в себя два ферромагнитных слоя. В верхнем слое спины были ориентированы перпендикулярно плоскости, во втором — лежали в плоскости. Такая конфигурация намагниченности — T-структура — ранее многократно исследовалась для задач упрощения токоиндуцированного переключения, однако в данной работе было реализовано принципиальное отличие: граница раздела между магнитными слоями была шероховатой, как апельсиновая кожура. Это позволило значительно усилить межслоевое взаимодействие, которое приводит к наклону намагниченности, схожему по воздействию с влиянием внешнего поля, что в свою очередь делает переключение при пропускании тока более эффективным.

В другом случае использовалась многослойная структура, включающая в себя два магнитных слоя с перпендикулярной ориентацией спинов. Осаждение магнитного материала производилось в присутствии внешнего магнитного поля в плоскости, что в готовой структуре обусловливает наличие оси, вдоль которой отклонение будет преимущественным. Наличие такой особенности в сочетании с межслоевым обменным взаимодействием приводит к тому, что спины в соседних слоях отклоняются от перпендикулярной ориентации в противоположные стороны. С одной стороны, это может быть использовано для практических задач токоиндуцированного перемагничивания, а с другой, такое поведение качественно повторяет эффект взаимодействия Дзялошинского — Мория, который в данном случае создан искусственно.

Проверка качества контактных площадок на оптическом микроскопе

Эти универсальные способы управления ориентации спина или намагниченности позволяют эффективно переключать биты с информацией, а также хранить и обрабатывать ее. Именно к этому стремятся физики, которые занимаются передовой наноэлектроникой.

Магнетронная распылительная система на базе сверхвысоковакуумного комплекса «Омикрон»

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ) № 21-42-00041. Напомним, при поддержке программы мегагрантов национального проекта «Наука и университеты» в Дальневосточном федеральном университете создана лаборатория спин-орбитроники мирового уровня. В ней уже сейчас разрабатывают научные и технологические основы нового поколения умной электроники для высокопроизводительных энергоэффективных вычислений и телекоммуникаций. На базе лаборатории планируют реализовать полный технологический цикл: от научно-исследовательских работ до испытаний и, возможно, опытного производства экспериментальных образцов трековой памяти и логических элементов для нового поколения электроники. Здесь же готовят новое поколение высококвалифицированных исследователей.

Решаемые в лаборатории задачи полностью соответствуют стратегическому направлению развития ДВФУ «Физика и материаловедение» в рамках программы «Приоритет 2030».

Пресс-служба ДВФУ,
[email protected]

07.12.2022

Концерт Духового оркестра ТОФ «Игры в классику после пар»

23.11.2022

Старт студенческой стипендии Tele2 в ДВФУ

06 декабря

#Наука

Молодые ученые ДВФУ прошли уникальную программу для работы на синхротроне

02 декабря

#Наука

Ученые ДВФУ и Китая выиграли грант РНФ на разработку передовых технологий в наноэлектронике

29 ноября

#Наука

Ученые ДВФУ разработали SMART-упаковку для определения свежести продуктов

Электричество — Банк знаний — Солнечные школы

Электричество распространяется со скоростью света. Электромобили не такие быстрые.

Электричество

Электричество получается из электрической энергии. Это энергия, вызванная движущимися электрическими зарядами .

Электричество может накапливаться в одном месте ( статическое электричество ) или течь из одного места в другое ( текущее электричество ).

Что такое электричество?

Электричество – это вид энергии, который получается из электрической энергии .

Если эта энергия собирается в одном месте, это называется статическое электричество (слово «статический» означает то, что не движется).

Если энергия движется или течет из одного места в другое, это называется текущим электричеством .

Электроэнергия — Гидро-Квебек

Заряженные частицы, движущиеся по проводу в цепи, создают электричество.

Что такое электрическая энергия?

Электрическая энергия создается движущимися частицами , имеющими отрицательный или положительный заряд. Эти заряженные частицы называются электронами .

Чем быстрее движутся электроны, тем больше электрической энергии они несут. Электрическая энергия обычно передается по проводу в электрической цепи .

Как образуется статическое электричество?

Статическое электричество возникает, когда электроны накапливаются на объекте, но не могут течь дальше, что создает электрический заряд .

Этот заряд высвобождается в виде статического электричества, если заряженный объект касается другого объекта, который может проводить электричество.

Попробуйте сами! Потрите воздушный шар о джемпер примерно 20-30 раз, затем прижмите его к джемперу и отпустите. Воздушный шар прилипнет к вам из-за статического электричества, которое высвобождается при соприкосновении с вашим джемпером.

Как образуется текущая электроэнергия?

Текущее электричество возникает, когда электроны перетекают из одного места в другое, обычно внутри электрической цепи .

Это потому, что электроны переносят электрическую энергию из одного места в другое.

Каковы некоторые примеры электрической энергии?

Электроэнергия окружает нас повсюду, от бытовой техники до автомобилей.
Вот несколько повседневных примеров использования электрической энергии:

Движущаяся электрическая энергия течет по проводу, образуя электрическую энергию, которая затем преобразуется в тепловую (тепловую) энергию для приготовления пищи.

Аккумулятор мобильного телефона снабжает электрические заряды химической энергией, заставляя их двигаться и превращаться в электрическую энергию. Затем эта энергия проходит через телефон и снабжает его электричеством.

Представьте себе лампу, воткнутую в стену. Электрический ток движется по проводу, образуя электрическую энергию. Когда электрические заряды в лампочке замедляются, создается световая энергия.

Молнии могут двигаться со скоростью около 210 000 километров в час при температуре почти 30 000 градусов по Цельсию.

Объяснение электрической цепи — регион 10 ESC

Электрическая энергия создается движущимися частицами, имеющими отрицательный или положительный заряд. Эти частицы называются электронами.

Текущее электричество — это электрическая энергия, которая течет из одного места в другое, обычно по проводам.

Электричество — вид энергии, получаемый из электрической энергии.

Электрическая цепь представляет собой замкнутый путь или петлю, по которой протекает электрический ток.

Статическое электричество — электрическая энергия, накапливающаяся в одном месте.

Статическое электричество было открыто более 2000 лет назад греческим философом Фалесом.

Электричество распространяется со скоростью света — это около 300 000 километров в секунду!

Некоторые вспышки молнии состоят из 25 и более разрядов молнии (ударов). Они движутся так быстро, что ваши глаза видят только одну вспышку!

Крупный план электрона.

Электричество возникает из электрической энергии, типа энергии, создаваемой движущимися заряженными частицами. Эти заряженные частицы называются электронами.

Как работает электричество?

Дон Линкольн, доктор философии, Университет Нотр-Дам

Возможно, современная жизнь настолько переплетена с электричеством, что все воспринимается как должное. Люди включают лампы и другие электрические устройства, думая, что как только цепь замыкается, один электрон перескакивает с выключателя на лампу со скоростью света, и лампа горит. Они очень ошибаются.

Электричество управляет почти всем в нашем мире, но его неправильно понимают. (Изображение: Дима Зел/Shutterstock)

Как работает электричество? Простыми словами, электричество результат цепочки электронов, движущейся на месте и толкающей другую электронов, ударяя их о следующий. Однако распространено мнение, что электроны на самом деле вращаются, перемещаются из одного места в другое и несут электрический заряд. Чтобы понять это, следует сначала узнать о мифах о электричество.

Узнайте больше о том, как работает квантовая механика.

Скорость электронов

В примере с включением света задержки нет между нажатием выключателя и получением света от лампы. Несмотря на то Некоторые считают, что электроны движутся со скоростью света, но это не так. поддерживается наукой.

Если электроны хотят двигаться по проводу, у них есть миллиарды барьеров впереди: другие атомы и электроны. Например, медная проволока представляет собой цепочку атомы меди сидят на месте и мало двигаются. Некоторые электроны вокруг каждый атом может свободно перемещаться и прыгать от одного атома к другому. Эти электроны создают электрический ток. Когда батарея в цепи или при включении лампы электрон движется вперед, но немедленно получает удар от следующего атома и отклоняется. Это продолжает происходить, поэтому электрон не может двигаться вперед легко. Таким образом, скорость электрона в типичном бытовой провод меньше десятой доли миллиметра в секунду. Другими словами, электрону требуется десять секунд, чтобы переместиться на одну миллиметр.

Это стенограмма из серии видео Понимание заблуждений науки . Смотрите прямо сейчас на Wondrium.

Электроны движутся так медленно, что электрону потребуется 28 часов, чтобы добраться до лампы. (Изображение: TWStock/Shutterstock)

В простом шестидюймовом фонарике электрон должен пройти 12 дюймов или 30 сантиметров, чтобы совершить полный круг. путешествие. Это займет 50 минут. В обычной комнате электрон должен двигаться около десяти метров, и это займет 28 часов. Тем не менее, электрические устройства работают немедленно.

Узнать больше о Can Вы едете быстрее света?

Как создается ток

В батарее ток создается движением электроны к проводу. Однако, как объяснялось в предыдущем разделе, электроны не может двигаться быстро из-за всех атомов проволоки.

Когда электрон выходит за пределы батареи, он сталкивается с другой свободный электрон в проводе. Вновь столкнувшийся электрон движется вперед и сталкивается с следующий электрон и так далее. Таким образом, ток является результатом электронов двигаться на месте и бить своих соседей. Это означает, что все электроны в провода остаются там, где они были, и ни один электрон фактически не выбрасывается из цепь.

Провода не выталкивают собственные электроны для создания энергии. (Изображение: Billion Photos/Shutterstock)

Итак, почему схемы работают так быстро? Пример сделает это легко ответить. Если поезд со 100 вагонами и паровозом в кузове тронется с места, двигателю требуется много времени, чтобы добраться до первой машины. Тем не менее первая машина начинает движение почти сразу после запуска двигателя, потому что толчок от двигателя передается через все автомобили к первому. Одинаковый происходит в цепи с электронами.

Электричество в батарее отличается от электричества дом. Батарея всегда выталкивает электроны из негативная сторона. Но в доме электричество толкает и тянет назад все время снова и снова. В Соединенных Штатах электричество толкают и втягивается в дом 60 раз в секунду. В Европе это происходит 50 раз в второй. Другие страны используют один из этих стандартов.

Независимо от вида электричество – аккумуляторное или коммерческое – происходит то, что электроны не бегать по проводам и цепям. Они просто посылают энергию движения первому электрон в, и ток создается.

Узнайте больше о том, как статистика может вам лгать.

Общие вопросы о том, как работает электричество

В: Как работает электричество в вашем доме?

Электроэнергия вырабатывается на электростанции огромными генераторами. Генерируемый ток затем передается по проводам в меньшие сети домов. При включении лампы электричество работает так: электроны начинают трястись на месте и, следовательно, создают ток.

В: Что такое электричество простыми словами?

Электричество возникает в результате движения цепочки электронов. Вопреки распространенному мнению, электрон не движется сам по себе, чтобы создать ток, поскольку он постоянно сталкивается с окружающими атомами и отталкивается назад. Однако движения доходят до конца линии, создают ток и заставляют электричество работать.

В: Как создается электрический заряд?

Электрический заряд является результатом избытка или недостатка электронов по сравнению с протонами. Электроны называют отрицательным зарядом, а протоны — положительным. Токи создаются в цепях в результате этого дисбаланса отрицательных и положительных сил. Электрический заряд является фундаментальным объяснением того, как работает электричество.