В ДВФУ предложили инновационный метод, который поможет созданию миниатюрной электроники будущего
Ученые ДВФУ совместно с коллегами из России, Южной Кореи и Австралии предложили инновационный метод управления спин-электронными свойствами и функциональностью тонкопленочных магнитных наносистем. Открытие важно для создания нового поколения миниатюрной электроники (спин-орбитроники) и сверхбыстрой высокоемкой компьютерной памяти.
Статья опубликована в журнале NPG Asia Materials. Ученые из лаборатории пленочных технологий Школы естественных наук Дальневосточного федерального университета (ШЕН ДВФУ) предлагают управлять функциональностью магнитной наносистемы, построенной по принципу сэндвича, через поверхностные шероховатости магнитной пленки, зажатой между слоем тяжелого металла и покрывающим слоем.
Варьируя амплитуду шероховатостей на нижней и верхней поверхностях (интерфейсах) магнитной пленки в диапазоне менее нанометра, что сравнимо с размерами атомов, исследователи смогли максимизировать полезные спин-электронные эффекты, важные для работы электроники будущего. Установлено, что для этого на нижнем и верхнем интерфейсе магнитной пленки шероховатости должны повторять друг друга.
Работоспособность подхода впервые продемонстрировали на примере магнитной системы, состоящей из слоя палладия (Pd) толщиной в диапазоне от 0 до 12 нанометров (нм), покрытого слоем платины толщиной 2 нм и ферромагнетика (сплав CoFeSiB) толщиной 1,5 нм. Многослойную структуру накрывали слоем из оксида магния (MgO), тантала (Ta) либо рутения (Ru) — разные материалы-«крышки» позволяют расширить возможности по управлению магнитными свойствами наносистемы.
«В современной электронике размеры транзисторов все время уменьшаются. При этом общий тренд развития направлен на получение атомарно-гладких бездефектных поверхностей, — объясняет Александр Самардак, автор идеи исследования, доктор физико-математических наук, проректор ДВФУ по научной работе. — Однако, было бы большой ошибкой стремиться к идеальным интерфейсам, потому что много новых и практически востребованных физических эффектов лежат за пределами атомарного упорядочения и идеально плоских поверхностей.
С уменьшением функциональных элементов электроники роль поверхностных шероховатостей очень сильно возрастает.
Во многом благодаря развитию высокочувствительного аналитического оборудования, мы только сейчас начали глубоко проникать в природу обнаруженных явлений и понимать роль шероховатостей и атомарного перемешивания на интерфейсах. Главный посыл нашего исследования заключается в том, что атомарные шероховатости можно использовать во благо для реализации новых спин-орбитронных устройств с улучшенными свойствами».
Ученый рассказал, что последние пять лет в мире активно развивается новая область физики, спин-орбитроника. Она изучает не просто спин электрона (собственный момент импульса электрона — квантовое свойство, не связанное с движением, перемещением или вращением, электрона как целого), а спин-орбитальное взаимодействие. Такое взаимодействие возникает между электроном, вращающимся по орбите вокруг атомного ядра и создающим магнитное поле, и его собственным магнитным моментом, который обусловлен спином электрона.
Преимущество спин-орбитроники в том, что функциональность создаваемых устройств (например, магнитной памяти) обеспечивается непосредственно через управление спин-орбитальным взаимодействием в составляющих их наноматериалах, например, в тяжелых металлах. Достаточно сильным спин-орбитальным взаимодействием обладают тяжелые металлы платиновой группы (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt). Если один из таких металлов привести в контакт с ультратонкой, толщиной в несколько атомных слоев, магнитной пленкой (например, Co, Ni, Fe, Py), можно радикально поменять электронные и магнитные свойства системы.
«Во-первых, можно управлять намагниченностью, получая наносистемы, намагниченные перпендикулярно плоскости пленки, — так делают в современных жестких дисках и разрабатываемых носителях нового поколения, чтобы повысить плотность хранения информации, увеличить скорость записи/чтения данных и количество циклов перезаписи.
Во-вторых, сильное спин-орбитальное взаимодействие в тяжелом металле приводит к «деформации» электронных орбиталей атомов магнитного материала (пленки), в результате возникают спиновые эффекты, такие как магнитное затухание и интерфейсное взаимодействие Дзялошинского-Мория, появляющееся на границе тяжелого металла и покрывающего его магнитного слоя.
Это антисимметричное взаимодействие ведет к трансформации ферромагнитного порядка и появлению нетривиальных спиновых текстур, таких как скирмионы и скирмиониумы. Такие спиновые текстуры имеют громадный потенциал для электроники будущего, играя роль энергонезависимых носителей информации.
Например, на их основе можно делать компоненты компьютерной памяти, которые будут работать без магнитных головок, а биты в них будут переключаться токовыми импульсами за счет «переворота» спинов электронов. Такие устройства будут работать на скоростях передачи битов до нескольких километров в секунду под действием только электрического тока и вмещать на порядок больше данных», — говорит Александр Самардак.
Для эксперимента методом молекулярно-лучевой эпитаксии исследователи вырастили серию палладиевых пленок с идеальной монокристаллической структурой (рисунок 1a). Ученые обнаружили, что шероховатая поверхность пленок Pd может быть описана синусоидальной функцией. Изменяя толщину пленок Pd в диапазоне от 0 до 12,6 нм, им удалось управлять амплитудой и периодом шероховатостей в диапазоне от 0 до 2 нм и от 0 до 50 нм соответственно.
После этого магнетронным напылением в вакууме на поверхность палладия нанесли тонкие пленки платины и магнитного сплава Pt(2 нм)/CoFeSiB (1,5 нм) и покрыли их разными материалами (оксидом магния, танталом, рутением), (рисунок 1b). Материал «крышки» сильно влиял на магнитную анизотропию, в то время как влияние на взаимодействие Дзялошинского-Мория было не таким значительным. При этом наносимые слои Pt и CoFeSiB повторяли морфологию поверхности Pd.
В итоге исследователи обнаружили, что, не изменяя состава магнитной системы, а только варьируя поверхностные шероховатости в суб-нанометровом диапазоне путем изменения толщины слоя Pd, можно радикально менять ее функциональные свойства. Например, величина взаимодействия Дзялошинского-Мория повышалась в 2,5 раза при толщине слоя Pd в 10 нм. Именно при этой толщине шероховатости нижнего и верхнего интерфейсов магнитной пленки были максимально скоррелированы.
По словам Александра Самардака, исследование заняло около четырех лет, еще год потребовался для публикации статьи в престижном журнале издательства Nature. Рецензенты долго не могли поверить в возможности управления спин-орбитальными свойствами путем модулирования шероховатостей. В ходе переписки авторам удалось убедить рецензентов и отстоять свою точку зрения.
В настоящее время идет подготовка новых образцов совместно с зарубежными партнерами для изучения влияния шероховатостей интерфейсов на спиновый эффект Холла и эффект передачи спин-орбитального крутящего момента импульса, что позволит вплотную подойти к реализации ячеек памяти, магнитный момент которых переключается только электрическим током.
Работа выполнена в рамках Государственного задания Минобрнауки России «Многофункциональные магнитные наноструктуры для спинтроники и биомедицины: синтез, структурные, магнитные, магнито-оптические и транспортные свойства». Ученые ДВФУ ведут фундаментальные исследования и практические разработки по приоритетным направлениям Стратегии научно-технологического развития РФ, включая такое направление, как новые виды материалов, которые необходимы для перехода к технологиям будущего.
Telegram 
Дзен 
VK Ученые из МФТИ и Объединенного института высоких температур РАН показали, как с помощью электронного пучка управлять плазмой, в которой присутствуют пылевые частицы. Такой пучок вводится прямо в плазменный объем, изменяя при этом не только траектории движения частиц, но и свойства самой плазмы. Такой подход актуален для систем газоочистки и плазмохимических реакторов.
Американские биотехнологи впервые сообщили об обращении вспять клеточного старения в живых клетках печени человека — не мышиных, не синтетических, а именно человеческих. На волне этого результата компания привлекла 435 миллионов долларов и готовится к клиническим испытаниям.
Роль личности в истории чаще всего иллюстрируют правителями или полководцами. Но, глядя на современную карту мира, нельзя не признать: она выглядела бы принципиально иначе, если бы не одна крестьянская девушка, которую сожгли в этот день ровно 595 лет назад.
В 2017 году человечество впервые заметило объект, прилетевший из другой звездной системы. Он оказался странным, почти не похожим ни на астероид, ни на комету, и получил имя Оумуамуа. Затем появился «нормальный» межзвездный странник — комета Борисова. А в 2025-м астрономы обнаружили 3I/ATLAS — объект, который, вероятно, хранит вещество времен рождения чужих миров. Но что изменили в астрономии эти три гостя из межзвездной тьмы?
Астрономы провели длительную радиодиагностику межзвездного объекта 3I/ATLAS и не нашли признаков искусственных технологий. Наблюдение окончательно подтвердило естественную природу ледяного тела, хотя ученые изначально не ожидали сенсации.
Роль личности в истории чаще всего иллюстрируют правителями или полководцами. Но, глядя на современную карту мира, нельзя не признать: она выглядела бы принципиально иначе, если бы не одна крестьянская девушка, которую сожгли в этот день ровно 595 лет назад.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно