APL Materials: Ученые впервые оценили тепловые эффекты в спинтронике

Спинтроника охватывает устройства, которые используют микроскопический магнетизм вместе с электрическим током. Они могут привести к созданию вычислительной техники, которая будет такой же быстрой, как обычная электроника, но более энергоэффективной.

Исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн разработали новую экспериментальную методику и описали её в журнале APL Materials. Она позволяет напрямую измерять нагрев в спинтронных устройствах и сравнивать его с другими эффектами. Это поможет выбирать материалы для спинтроники, на которые нагрев влияет минимально. Благодаря этому можно создавать более быстрые устройства.

Аксель Хоффманн, руководитель проекта и профессор материаловедения и инженерии Иллинойса, говорит:

Работа спинтронных устройств основана на способности изменять намагниченность с помощью электрического тока. Есть два возможных объяснения этому: электромагнитное взаимодействие с током или повышение температуры, вызванное им.

Подход, который применили учёные, помог понять физику работы устройства и оптимизировать его.

Спинтроника использует свойство электронов — спин, который приводит к микроскопическому магнитному поведению. Эти устройства потребляют гораздо меньше энергии, чем электронные аналоги, так как работают на магнитной основе.

Есть предположение, что спинтроника будет такой же быстрой и энергоэффективной, как обычные компьютеры.

Это как получить лучшее из двух миров, — говорит Хоффманн.

Антиферромагнитные материалы привлекли внимание из-за особого расположения спинов и ограниченной чувствительности к соседним устройствам. Чтобы использовать эти материалы в памяти и вычислениях, нужно управлять их спиновой структурой с помощью электрического тока. Но токи должны быть настолько велики, что устройство сильно нагревается и тепло влияет на спиновую структуру вместе с электромагнитными эффектами.

Хоффман говорит, что сейчас спорят о том, что именно отвечает за изменение спина: ток или нагрев.

Если это эффект тока, то его можно ускорить. Если же это тепловой эффект, то важны теплопроводность и тепловая релаксация, которые могут замедлить работу устройства.

От того, какая физика здесь работает, зависит точная функциональность устройства.

Мён-Ву Ю, постдокторант из группы Хоффмана, предложил экспериментальный метод измерения тепловых эффектов в малогабаритных устройствах.

Он подготовил антиферромагнитные образцы на подложках из диоксида кремния разной толщины. Теплопроводность подложки снижается с увеличением её толщины, поэтому антиферромагнетики на более толстых образцах нагреваются сильнее при одинаковом электрическом токе. Если нагрев устройства влияет на спиновую структуру, то будет видна разница между устройствами на разных подложках.

Исследователи выяснили, что нагрев сильно влияет на антиферромагнетик Mn₃Sn. Они отметили, что эта методика позволяет сравнивать роль нагрева с эффектом электрического тока для других антиферромагнитов, которые рассматриваются для спинтроники.

По словам Ю, теперь у нас есть стратегия для оценки влияния электрического нагрева в устройствах спинтроники. Эта методология проста и может быть применена к любой системе, включая стандартную электронику. С её помощью можно оптимизировать функциональность любого типа микроскопических устройств.

26.09.2024