Учёные обнаружили, что дефекты материалов могут сделать электронику эффективнее

Вместо того чтобы мешать прогрессу, дефекты материалов в спинтронике можно использовать для повышения эффективности. Этот прорыв указывает на новое поколение мощной и энергосберегающей электроники. Фото: Shutterstock

Учёные превратили давнюю проблему электроники — дефекты материалов — в квантово-усиленное решение, открывая путь для устройств спинтроники нового поколения с ультранизким энергопотреблением.

Спинтроника, сокращение от «спиновой электроники», — это область технологий, которая стремится выйти за пределы возможностей обычной электроники. Традиционные устройства полагаются только на электрический заряд электронов для хранения и обработки информации. Спинтроника использует два дополнительных квантовых свойства: спиновый угловой момент, который можно представить как внутреннюю «верхнюю» или «нижнюю» ориентацию электрона, и орбитальный угловой момент, который описывает движение электронов вокруг атомных ядер. Используя эти дополнительные степени свободы, спинтронные устройства могут хранить больше данных в меньшем пространстве, работать быстрее, потреблять меньше энергии и сохранять информацию даже при выключенном питании.

Долгое время проблемой в спинтронике была роль дефектов материалов. Внесение несовершенств в материал иногда может облегчить «запись» данных в биты памяти за счёт уменьшения необходимого тока, но обычно это имеет свою цену: электрическое сопротивление увеличивается, спин-холловская проводимость снижается, а общее энергопотребление растёт. Этот компромисс был серьёзным препятствием для разработки устройств спинтроники со сверхнизким энергопотреблением.

Теперь группа «Гибкие магнитно-электронные материалы и устройства» из Нинбоского института технологии и инженерии материалов (NIMTE) Китайской академии наук нашла способ превратить эту проблему в преимущество. Их исследование, опубликованное в Nature Materials, было сосредоточено на орбитальном эффекте Холла в рутенате стронция (SrRuO3), оксиде переходного металла, свойства которого можно точно настраивать. Это квантовое явление заставляет электроны двигаться способом, определяемым их орбитальным угловым моментом.

Используя специально разработанные устройства и методы прецизионных измерений, исследователи обнаружили нетрадиционный закон масштабирования, который достигает результата «убить двух зайцев одним выстрелом»: инженерия дефектов одновременно повышает и орбитальную холловскую проводимость, и орбитальный холловский угол, что резко контрастирует с обычными спиновыми системами.

Объясняя это открытие, команда связала его с механизмом орбитальной релаксации типа Дьяконова-Перля.

«Процессы рассеяния, которые обычно ухудшают производительность, на самом деле продлевают время жизни орбитального углового момента, тем самым усиливая орбитальный ток», — сказал доктор Сюань Чжэн, соавтор исследования.

«Эта работа по сути переписывает правила проектирования этих устройств, — сказал профессор Чжимин Ван, автор-корреспондент исследования. — Вместо того чтобы бороться с несовершенствами материалов, мы теперь можем их использовать».

Экспериментальные измерения подтверждают потенциал технологии: настроенная модуляция проводимости привела к трёхкратному улучшению энергоэффективности переключения.

Это исследование не только даёт новое понимание физики орбитального транспорта, но и переопределяет стратегии проектирования энергоэффективной спинтроники.

Исследование получило поддержку Национальной ключевой программы исследований и разработок Китая, Национального фонда естественных наук Китая и других финансирующих организаций.