Революция в хранилищах данных: магнитные наноструктуры с мантиями невидимости нового поколения

• Исследователи спроектировали магнитные наноструктуры с мантией невидимости.
• Высокая скорость крошечных магнитных битовых структур может быть достигнута путем тщательной настройки силы мантии невидимости.

Для высокопроизводительных твердотельных накопителей и логических приложений исследователи фокусируются на спиновых устройствах. Один из перспективных подходов — кодировать биты с помощью небольших скирмионов или доменных стенок, которые могут быть сдвинуты токами в устройствах на основе дорожек (race track).

Для физиков магнетизм в первую очередь связан с вращательными движениями электронов в атомах. Электроны вращаются вокруг ядра и вращаются вокруг собственной оси. Это движение производит магнитный момент атома.

Магнитное рассеянное поле, соответствующее этому магнитному моменту, используется для извлечения/чтения магнитно сохраненных данных с устройства. В существующих жестких дисках размер одного магнитного бита достигает 15×45 нанометров, примерно 1 триллион таких битов можно разместить на марке.

Для хранения битов магнитно в фиксированном месте в чипе и их последующего извлечения необходимо переносить магнитные биты взад и вперед в чипе через импульсы тока. Проблема в том, что магнитное рассеянное поле мешает сделать биты меньше для более плотной упаковки данных. Также магнитный момент, ассоциированный с рассеянным полем, должен быть способен перемещать структуры.

Мантия невидимости атома

В этом исследовании исследователям удалось надеть «мантию невидимости» на магнитные наноструктуры и проанализировать, насколько быстрыми и маленькими эти биты могут стать. Для этого они объединили атомы из разных элементов, у которых электроны вращаются в противоположных направлениях и, следовательно, имеют противоположные магнитные моменты.

Это компенсировало (или в некоторых случаях уменьшило) магнитное рассеянное поле, однако каждый атом в наноструктуре все еще несет магнитный момент: вместе эти атомы кажутся замаскированными.

Источник: Nature Nanotechnology | doi:10.1038/s41565-018-0255-3 | Институт Макса Борна

Несмотря на маскировку, исследователи прообразили крошечные структуры через рентгеновскую голографию. Сделая видимыми магнитные моменты только одного атомного вида селективно, они записали изображение структуры вопреки мантии невидимости.

Ферромагнитный (FM) и антиферромагнитный (AFM) порядок между соседними атомными моментами | По предоставлению исследователей

Применения в хранилищах данных

Тщательно настраивая силу мантии невидимости, возможно достичь двух целей одновременно.

Размер круговых магнитных структур очень мал: радиус наименьшей структуры составил всего 5 нанометров. В будущем, если эти структуры могут быть внедрены в устройства хранения данных, их емкость увеличится значительно.

Дальнейшие исследования показали, что замаскированные биты могут перемещаться очень быстро за счет коротких импульсов тока — одного из ключевых параметров для реального использования в устройствах памяти. Исследователи упоминают, что была достигнута скорость более 1 км/с.

И вращение электрона вокруг ядра, и спин электрона вокруг собственной оси по-разному вносят вклад в магнитный момент: эффект собственного спина электрона в два раза больше, чем эффект его орбиты.

Можно комбинировать разные типы атомов с разными направлениями вращения электронов, чтобы компенсировать общее вращение. Так называемый угловой момент системы оставался бы постоянным, в то время как система все равно сохраняла бы небольшое количество магнитного момента.

Читайте также: Хранение данных с наивысшей возможной плотностью наномагнитов

Поскольку угловой момент замедляет движущиеся магнитные структуры через импульсы тока, эта техника может использоваться для достижения движений высокой скорости. Поэтому, если сила мантии невидимости правильно сконфигурирована, можно получить и высокоскоростные, и крошечные по размеру магнитные битовые структуры — интригующий аспект новых концепций магнитного хранения данных.