ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ ВЫСОКОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПЛОТНОСТИ

Базык Елена Владимировна

преподаватель, ФГБОУ СПО «ГТМАУ», г. Георгиевск

E-mail:geo-teh@mail.ru

С развитием средств вычислительной техники растет и будет расти спрос на запоминающие устройства небольших размеров, способных хранить большой объем информации. В этой связи проблема повышения информационной плотности записи – одна из важнейших проблем в  производстве современных запоминающих устройствах большой емкости.

В последние годы все реже встречается термин "микроэлектроника", чаще мы слышим и читаем о нанофизике, наноэлектронике, нанотехнологиях. Теперь каждый знает, что приставка "нано" уменьшает обычный метр в миллиард раз. Однако не всем известны принципы функционирования наноустройств, таких как считывающие головки жестких дисков компьютера или сенсоры магнитного поля. Подобные устройства были бы невозможны без развития спинтроники – достаточно молодой, но уже весьма авторитетной науки, которая рассматривает использование квантовых эффектов в сверхэкономичных и сверхбыстрых спиновых устройствах ближайшего будущего.

Термин "спинтроника" произошел от англоязычного выражения "spin electronics" ("спиновая электроника"; или как часто ее еще называют "магнитоэлектроникой"). Спинтроника – область науки, изучающая взаимодействие собственных магнитных моментов электронов (спинов) с электромагнитными полями и разрабатывающая на основе обнаруженных явлений и эффектов спинэлектронные приборы и устройства.

Начнем с понятия спина. В теории магнетизма считается, что электрон обладает квантовым свойством - спином, из-за чего он ведет себя подобно стрелке компаса, вращающейся вокруг своей оси и соединяющей его (электрона) южный и северный полюса. Спины электронов могут быть ориентированы в направлениях, которые обычно называют "спин-вверх" (мажорные спины) и "спин-вниз" (минорные спины, см. рис. 1). [4]

Если поместить электроны в магнитное поле, то их спины выстроятся вдоль направления поля. При этом они будут прецессировать (определенным образом вращаться) вокруг силовых линий - это явление можно сравнить с орбитальной прецессией нашей планеты (рис. 2). Если выключить поле, прецессия спина прекращается и его ориентация фиксируется. Другими словами, используя эффект прецессии, можно менять спиновое состояние электрона и тем самым изменять бит информации, переносимый электроном, с логического "0" на "1" и обратно. [4]

Отметим, что впервые в мире спин отдельного электрона "рассмотрели" ученые IBM Research Division (США), и произошло это в 2005 году. Для решения данной задачи они использовали так называемую магнитную резонансную силовую микроскопию (magnetic resonance force microscopy, MRFM). Но интерес исследователей к спиновой электронике возник еще в 1988 году, после открытия Бэйбичем (M.N.Baibich) эффекта гигантского магнитосопротивления в многослойных магнитных наноструктурах Fe/Cr, суммарная толщина которых составляла около 100 нм и количество слоев менялось от 3 до 50. Было обнаружено, что сопротивление многослойнойструктуры Fe/Cr, в смежных магнитных слоях которой в отсутствие поля векторы намагниченности выстроены антипараллельно, уменьшается более чем на 50% под воздействием внешнего магнитного поля. Так как уменьшение сопротивления было столь велико, ученые назвали этот эффект гигантским магнитосопротивлением (далее – ГМС). Такое аномальное поведение сопротивления обусловлено различиями в поведении электронов "спин-вверх" и "спин-вниз" в указанных наноструктурах. Открытие эффекта ГМС позволило создать высокоточные сенсоры магнитного поля, а так же, считывающие головки жестких дисков, которые были выпущены в 1997 году компанией IBM и в настоящее время используются практически во всех жестких дисках. Открытие такого рода не только привело к прорыву в размерах жестких дисков, но и стало ключевым моментом в развитии современных портативных электронных устройств, таких как iPod.

В то время как обычные технологии основаны на использовании заряда электронов, то области спинтроники основываются на манипуляции спинов, одним из уникальных свойств которого является то, что спин может быть передан практически без протекания электрического заряда.

В ближайшие десять-пятнадцать лет кремниевые процессоры достигнут предела своих возможностей, и поэтому необходимо искать иные физические принципы, на которых будут построены быстродействующие устройства с низкими энергопотреблением и тепловыделением. В спинтронных устройствах переворот спина практически не требует затрат энергии, а в промежутках между операциями устройство отключается от источника питания. Если изменить направление спина, то кинетическая энергия электрона не изменится. Это означает, что тепла почти не выделяется. Скорость изменения положения спина очень высока. Эксперименты показали, что переворот спина осуществляется за несколько пикосекунд (триллионных долей секунды). [3, c. 87]

Спинтроника уже принесла много благодатных плодов. Так, в 2005 году компания Motorola начала массовое производство спинтронных модулей памяти MRAM (Magnetoresistance Random Access Memory – магниторезистивная память с произвольной выборкой). Главное отличие таких модулей – записанная информация не пропадает при отключении питания, так как электроны способны сохранять положение спина сколь угодно долго. MRAM уже нашла применение в сотовых телефонах, мобильных компьютерах, идентификационных картах. Кроме того, новую память используют военные для управления боевыми ракетами и для контроля за космическими станциями. Высокоточные угловые, позиционные и скоростные спиновые сенсоры широко используются в автомобильных агрегатах и механизмах – например, в антиблокировочной тормозной системе, известной водителям как ABS (Antilock Braking System), благодаря которой автомобиль сохраняет прямолинейное направление движения при торможении на скользком дорожном покрытии. Современную компьютерную, теле- и видеотехнику невозможно представить без спинтронных устройств. Помимо жестких дисков, достижения спинтроники можно найти в персональных видеорекордерах (тюнерах для захвата видеосигнала с аналоговых устройств), аппаратуре телевидения высокой четкости (HDTV), DVD-приводах с интерференцией в ближнем поле (near field recording, NFR) при записи. [2, c. 29]

В ближайшее время ученые выделяют три основных направления развития спинтроники: квантовый компьютер, спиновый полевой транзистор и спиновая память. На сегодняшний день самым перспективным является разработка о спиновой памяти. Конечно, очень трудно представить модуль памяти, содержащий миллионы наномагнитов, которые к тому же еще и не взаимодействуют друг с другом. Но есть альтернативное решение проблемы и оно подсказано более полувека назад самим Эйнштейном. Великий ученый предположил, что для быстро движущегося электрона электрическое поле будет выглядеть как магнитное. В 2004 физики подтвердили эту гипотезу, взяв два различных по составу полупроводника и образовав из них единую структуру путем напыления в вакууме. [1, c. 44] В результате в структуре возникали внутренние механические напряжения, приводящие к появлению электрического поля, которое и становится движущей силой для электронов. И чем сильнее это электрическое поле, тем более эффективно магнитное поле, заставляющее быстрее прецессировать спины электронов. Это может говорит о том, что у нас появляется возможность управлять углом наклона спинов, т.е. их фазой (направлением спина). Иначе говоря, направление спина необязательно принимает два фиксированных положения, соответствующих логическим "0" и "1" в классических бинарных компьютерах, а может иметь и промежуточные фазы. Тем самым позволяя перейти от битов к так называемым фитам (фазовым числам), способным принимать больше значений. Представьте себе, например, модуль памяти, в котором группы спинов направлены на север, юг, восток, запад, северо-восток, северо-запад, юго-восток и юго-запад. Всего восемь направлений, соответствующих восьми фитам: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7. Чем точнее мы определим фит, тем большей плотности записи информации сможем достигнуть. Уже существует ряд методов точного определения фазового угла спинов, и можно ожидать, что сверхплотная, энергонезависимая и сверхбыстродействующая память не за горами.

Список литературы:

1.Рязанов В.В.Джозефсоновский π-контакт сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник как элемент квантового бита. УФН, 1999. Т.169. № 8. с.920.

2.Журнал технической физики, 2010, том 81, вып.5

3.Аплеснин С.С. Основы спинтрониики: учебное пособие. Изд. Лань, 2010.-288с.

4.Журнал «Компьютерра» № 5 за 7 февраля 2006.

5.Maekawa S. (Ed) Concepts in Spin Electronics, 2006.