Учёные из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне разработали новую экспериментальную методику, которая позволяет напрямую измерять нагрев в спинтронных устройствах. Эта методика может быть использована для выбора спинтронных материалов, магнитное поведение которых минимально подвержено нагреву, что приведёт к созданию более быстрых устройств.

Спинтроника — это область науки и техники, которая использует микроскопический магнетизм в сочетании с электрическим током для создания устройств, которые могут работать так же быстро, как и обычная электроника, но при этом быть гораздо более энергоэффективными. Однако важным нерешённым вопросом является то, как нагрев влияет на работу устройства.

«Спинтронные устройства зависят от способности изменять намагниченность с помощью электрических токов, но есть два возможных объяснения этому: электромагнитное взаимодействие с током или повышение температуры, вызванное током. Если вы хотите оптимизировать работу устройства, то должны понимать лежащую в его основе физику. Именно это нам помог сделать наш подход», — сказал Аксель Хоффманн, руководитель проекта и профессор материаловедения и инженерии в Иллинойсе.

Источник: DALL-E

В отличие от электроники, которая использует электрические сигналы для хранения информации и выполнения вычислений, спинтроника использует фундаментальное свойство электронов, называемое спином, которое приводит к магнитному поведению. Эти устройства потенциально могут потреблять гораздо меньше энергии, чем их электронные аналоги, благодаря магнитной природе их работы. Было даже высказано предположение, что спинтроника, управляемая быстрой электроникой, останется энергоэффективной, при этом соответствуя скорости обычных компьютеров. «Это как получить лучшее из обоих областей», — отметил Хоффманн.

Проблема заключалась в поиске материалов, подходящих для таких устройств. Антиферромагнетики привлекли внимание своим периодическим расположением противоположных спинов и ограниченной чувствительностью к соседним устройствам. Чтобы использовать эти материалы для памяти и вычислений, спиновая структура должна контролироваться электрическим током. Токи, необходимые для этого, настолько велики, что температура устройства повышается до точки, где тепловые эффекты влияют на спиновую структуру в дополнение к электромагнитным эффектам.

«Продолжаются дебаты о том, является ли ток напрямую ответственным за изменения спина или же доминирующим эффектом является возникающее нагревание. Если это эффект, вызванный током, то очень просто сделать эффект очень быстрым. Если это эффект, вызванный теплом, то важны теплопроводность и тепловая релаксация, и они могут ограничить скорость работы устройства. Таким образом, точная функциональность устройства зависит от того, какая физика за это отвечает», — сказал Хоффманн.

Прошлые попытки выяснить важность эффектов, обусловленных током и температурой, были затруднены из-за невозможности напрямую измерить эффекты нагрева в малогабаритных устройствах. Мён-Ву Ю, научный сотрудник в группе Хоффмана, продемонстрировал экспериментальный метод, в котором тепловые эффекты выводятся из того, как устройство нагревает подложки с различной теплопроводностью.

Переключение октупольного момента в поликристаллическом Mn 3 Sn.
Источник: APL Materials (2024). DOI: 10.1063/5.0219729

«Мы подготовили антиферромагнитные образцы на подложках из диоксида кремния разной толщины. Способность подложки проводить тепло снижается с увеличением толщины, что означает, что антиферромагнетики на более толстых образцах имеют более высокие температуры при подаче того же электрического тока. Если нагрев устройства важен для изменения спиновой структуры, то будет наблюдаться разница между устройствами на разных подложках», — сказал Ю.

Исследователи обнаружили, что нагрев оказал значительное влияние на изученный ими антиферромагнетик Mn 3 Sn. Однако они отметили, что существует множество других антиферромагнетиков, рассматриваемых для спинтроники, и этот метод обеспечивает основу для систематического сравнения роли нагрева с эффектами электрического тока.

«Теперь у нас есть хорошо продуманная стратегия оценки влияния электрического нагрева в устройствах спинтроники. Кроме того, это очень легко сделать в самых общих чертах, поэтому её можно применять к любой системе, включая стандартную электронику. Эту методологию можно использовать для оптимизации функциональности в любом типе микроскопического устройства», — сказал Ю.