Hocheffizienter Spintronik-Speicher bietet hohe Geschwindigkeiten bei geringer Leistung.

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Speicher, die auf der Physik der Spintronik basieren, könnten hohe Geschwindigkeiten bei niedriger Leistung bieten.

Die Forscher sind der Realisierung eines neuen Speichertyps, der nach den Prinzipien der Spintronik arbeitet, einen Schritt näher gekommen, der analog zur Elektronik ist, sich aber von dieser unterscheidet. Ihr einzigartiger ferromagnetischer Halbleiter auf Galliumarsenidbasis kann als Speicher fungieren, indem er seinen magnetischen Zustand in Gegenwart eines induzierten Stroms bei niedriger Leistung schnell umschaltet. Früher war ein solches strominduziertes Magnetisierungsschalten instabil und verbrauchte viel Strom, aber dieses neue Material unterdrückt sowohl die Instabilität als auch den Stromverbrauch.

Das Gebiet des Quantencomputings wird oft in der Fachpresse behandelt; ein anderes aufkommendes Feld, das sich in ähnlicher Richtung entwickelt, wird jedoch tendenziell übersehen, und zwar die Spintronik. Kurz gesagt, spintronische Bauelemente könnten einige elektronische Bauelemente ersetzen und eine höhere Leistung bei weitaus niedrigeren Leistungsniveaus bieten. Elektronische Geräte nutzen die Bewegung von Elektronen für Leistung und Kommunikation. Im Gegensatz dazu nutzen spintronische Geräte eine übertragbare Eigenschaft stationärer Elektronen, ihren Drehimpuls oder Spin. Es ist ein bisschen so, als ob eine Schlange von Menschen eine Botschaft von einem zum anderen weitergeben würde, anstatt die Person an einem Ende zum anderen laufen zu lassen. Die Spintronik reduziert den Aufwand, der zur Ausführung von Rechen- oder Speicherfunktionen erforderlich ist.

Auf Spintronik basierende Speicherbausteine werden sich wahrscheinlich durchsetzen, da sie eine nützliche Eigenschaft haben, da sie nicht flüchtig sind, d.h. wenn sie einmal in einem bestimmten Zustand sind, behalten sie diesen Zustand auch ohne Stromzufuhr bei. Herkömmliche Computerspeicher, wie DRAM und SRAM aus gewöhnlichen Halbleitern, verlieren ihren Zustand, wenn sie ausgeschaltet werden. Das Herzstück der experimentellen spintronischen Speicherbausteine sind magnetische Materialien, die in entgegengesetzter Richtung magnetisiert werden können, um die bekannten binären Zustände 1 oder 0 darzustellen, und dieses Umschalten der Zustände kann sehr, sehr schnell erfolgen. Es hat jedoch eine lange und mühsame Suche nach den besten Materialien für diese Aufgabe gegeben, da die Magnetisierung von Spintronik-Materialien keine einfache Angelegenheit ist.

“Das Magnetisieren eines Materials ist vergleichbar mit dem Drehen einer mechanischen Vorrichtung”, sagte der außerordentliche Professor Shinobu Ohya vom Forschungsnetzwerk des Zentrums für Spintronik an der Universität Tokio. “In rotierenden Systemen sind Rotationskräfte im Spiel, die als Drehmomente bezeichnet werden; ebenso gibt es Drehmomente, die als Spin-Bahndrehmomente bezeichnet werden, in spintronischen Systemen, auch wenn sie eher quantenmechanischer als klassischer Natur sind. Bei den Spin-Orbit-Drehmomenten unterstützt das ‘Anti-Dämpfungs-Drehmoment’ den Magnetisierungswechsel, während das ‘feldähnliche Drehmoment’ ihm widerstehen kann und die Höhe des Stroms erhöht, der für die Durchführung des Wechsels erforderlich ist. Wir wollten dies unterdrücken”.

Ohya und sein Team experimentierten mit verschiedenen Materialien und verschiedenen Formen dieser Materialien. Im kleinen Maßstab können Anti-Dämpfungs-Drehmoment und feldähnliches Drehmoment je nach physikalischen Parametern wie Stromrichtung und Dicke sehr unterschiedlich wirken. Die Forscher fanden heraus, dass mit dünnen Schichten eines ferromagnetischen Halbleiters auf Galliumarsenid-Basis, die nur 15 Nanometer dick sind, etwa ein Siebentausendstel der Dicke einer Dollarnote, das unerwünschte feldartige Drehmoment unterdrückt wird. Das bedeutet, dass die Magnetisierungsumschaltung mit dem niedrigsten Strom erfolgte, der jemals für diese Art von Verfahren aufgezeichnet wurde.

Referenz: “Suppression of the field-like torque for efficient magnettization switching in a spin-orbit ferromagnet” von Miao Jiang, Hirokatsu Asahara, Shoichi Sato, Shinobu Ohya und Masaaki Tanaka, 30. November 2020, Nature Electronics.
DOI: 10.1038/s41928-020-00500-w

Diese Arbeit wurde teilweise durch Zuschüsse für wissenschaftliche Forschung (Nr. 16H02095, Nr. 18H03860, 20H05650), das CREST-Programm der Japan Science and Technology Agency (JPMJCR1777), das Spintronics Research Network of Japan (Spin-RNJ) und den China Scholarship Council (Nr. 201706210086) unterstützt.

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