Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) вместе 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.
Фото: Reuters
Фото: Reuters
В лаборатории пленочных технологий Школы естественных наук 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 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. Общий тренд развития направлен на получение атомарно-гладких бездефектных поверхностей,— объясняет автор идеи исследования, доктор физико-математических наук, проректор ДВФУ по научной работе Александр Самардак.— 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».
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.
Ученый отметил, что исследование заняло около четырех лет, но 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.
Работа выполнена по государственному заданию №0657-2020-0013 Минобрнауки России «Многофункциональные магнитные наноструктуры для спинтроники и биомедицины: синтез, структурные, магнитные, магнито-оптические и транспортные свойства».
По материалам статьи «Enhancement of Perpendicular Magnetic Anisotropy and Dzyaloshinskii–Moriya Interaction in thin Ferromagnetic Films by Atomic-scale Modulation of Interfaces»; A. S. Samardak, A. V. Davydenko, A. G. Kolesnikov, A. Yu. Samardak, A. G. Kozlov, Bappaditya Pal, A. V. Ognev, A. V. Sadovnikov, S. A. Nikitov, A. V. Gerasimenko, In Ho Cha, Yong Jin Kim, Gyu Won Kim, Oleg A. Tretiakov, Young Keun Kim; журнал NPG Asia Materials, август 2020 г