Перемагничивание под действием тепла: шаг к нейроморфной электронике

Физики из МФТИ, Российского квантового центра и их коллеги исследовали, как тепловые флуктуации влияют на перемагничивание синтетического ферримагнетика GdFeCo/Ir/GdFeCo. Работа опубликована в Journal of Physics D: Applied Physics и имеет значение для развития оптомагнитных технологий хранения данных и нейроморфной электроники.

Что такое перемагничивание и зачем оно нужно
Ферримагнетики — особый класс материалов, в которых магнитные моменты атомов разных подрешеток направлены антипараллельно, но при этом они способны к спонтанной намагниченности. Перемагничивание — это процесс, при котором направление намагниченности меняется под действием внешнего поля. Если представить себе постоянный магнит, то это похоже на то, как его северный и южный полюса могут внезапно поменяться местами.
В структуре GdFeCo/Ir/GdFeCo два слоя ферримагнетика (сплав гадолиния, железа и кобальта) разделены тонким слоем иридия. Этот промежуточный слой регулирует обменное взаимодействие между ферримагнитными слоями, позволяя формировать четыре устойчивых магнитных состояния: P+ и P− (параллельные конфигурации) и AP+ и AP− (антипараллельные). Такие структуры обладают расширенной логикой переключения — не просто 0 и 1, а целых четыре возможных состояния.

Исследователи сосредоточились на изучении тепловых магнитных флуктуаций — случайных изменений магнитных моментов под действием тепловой энергии. С уменьшением размеров спинтронных устройств роль этих флуктуаций возрастает. Авторы использовали тепло как «триггер», способный запускать переход между магнитными состояниями.
В своих экспериментах ученые воздействовали на структуру внешним магнитным полем, которое было немного слабее критического значения, необходимого для гарантированного перемагничивания. Они обнаружили, что система может случайным образом «зависать» в текущем состоянии на разное время — от секунд до минут — прежде чем произойдет переключение. Это поведение объясняется необходимостью тепловой флуктуации, способной инициировать формирование области нового состояния, которая затем быстро распространяется по всей структуре.
Минимальный объем такой области составил всего 6,8 нм³. Энергия, требуемая для ее образования при магнитном поле 700 эрстед, составила около 1 эВ. Чем ближе значение поля к критическому, тем быстрее возникает эта область, и тем короче задержка переключения.

Нейроморфность и сверхкомпактная память
Такое вероятностное перемагничивание имеет важное значение для нейроморфной электроники — области, где принципы работы вычислительных систем вдохновлены механизмами мозга. Задержки и стохастичность переключений напоминают работу биологических синапсов, что делает такие материалы перспективными для создания устройств, имитирующих нейронные сети.
Кроме того, структура GdFeCo/Ir/GdFeCo может использоваться для создания многосостояний памяти: в отличие от традиционных ферромагнетиков, где доступно только два состояния, здесь реализуются четыре. Это позволяет удвоить объем хранимой информации при тех же физических размерах устройства.

Роман Моргунов, старший научный сотрудник Российского квантового центра:
«Обычная магнитная память строится на одном ферромагнитном слое — например, из NiFe или CoFe. Переход к структурам на основе GdFeCo/Ir/GdFeCo позволяет хранить больше данных при меньших размерах и при этом сохраняет стабильность. Это перспективный путь к расширению возможностей памяти».

«В будущем мы планируем изучить поведение этих структур при низких температурах, а также возможность управления перемагничиванием не только магнитным полем, но и электрическим током. Это откроет новые горизонты в области спинтроники», — поделился Александр Чернов, заведующий лабораторией физики магнитных гетероструктур МФТИ.

Исследование выполнено при участии Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН, Российского квантового центра и Первого МГМУ им. И. М. Сеченова.

Источник: Тепловые процессы и перемагничивание материалов: шаг к нейроморфным технологиям — За науку