Производительность спинтронных устройств зависит от атомной структуры интерфейса

Эксперт по расчету свойств материалов на основе поведения электронов ОНО Томоя (слева) и его команда из Университета Кобе показали, что интерфейс между ферромагнетиком и изолятором в спинтронных устройствах различается в зависимости от технологии производства. Автор: Kobe University

Спинтронные устройства станут ключом к созданию более быстрых и энергоэффективных компьютеров. Чтобы лучше понять, как их производить, команда Университета Кобе продемонстрировала, как различные производственные технологии влияют на свойства материалов ключевого компонента.

Электронные устройства могли бы стать более эффективными и быстрыми, если бы электроны могли одновременно переносить больше информации. Это основная идея спинтроники, где исследователи пытаются использовать спин электронов в дополнение к заряду в устройствах хранения данных, обработки и сенсорах для значительного улучшения наших компьютеров.

Одним из компонентов таких устройств является «магнитный туннельный переход», который может использоваться, например, для нейроноподобного поведения в обработке информации или в новом типе быстрой и энергонезависимой памяти. Они состоят из двух ферромагнетиков, обычно сплава никель-железо, между которыми находится тонкий изолирующий слой, такой как графен.

Инженер-электроник из Университета Кобе ОНО Томоя заявляет:

«Проблема в том, что мы очень мало знаем о том, как ведет себя граница раздела между материалами, поэтому в производстве этих устройств много неизвестного».

Оно и его команда поняли, что способ производства этих материалов, вероятно, изменяет электронную структуру интерфейса.

Будучи экспертами в расчетах из первых принципов, то есть вычислении свойств материалов на основе поведения их электронов, они исследовали, во-первых, как металл и изолятор выравниваются на атомном уровне в зависимости от технологии производства; и во-вторых, как это повлияет на магнитные свойства на границе раздела, которые важны для спинтронных применений.

Для части своих расчетов они использовали суперкомпьютер Fugaku из Кобе, который был самым быстрым суперкомпьютером в мире до 2022 года.

В Journal of Applied Physics команда Университета Кобе опубликовала свои результаты. Они показывают, что поверхность ферромагнетика отличается, когда изолятор переносится на него, по сравнению с тем, когда ферромагнитный кристалл выращивается на хлопье изолятора.

Более конкретно, объемный никель-железный магнит, на который можно перенести графен, обычно имеет больше никеля на своей поверхности, тогда как магнит, выращенный на хлопье графена, будет иметь слой железа. Это влияет на поведение магнитного туннельного перехода, независимо от того, предназначены ли они для датчиков или устройств хранения.

Причина различия этих двух ситуаций заключается в том, как электроны атомов углерода изолятора взаимодействуют с электронами атомов металла.

Оно объясняет:

«На границе раздела между никель-железом и графеном, которую мы изучали, электроны атомов железа и атомов углерода смешиваются или «гибридизируются», как мы говорим. Электроны углерода и никеля этого не делают. Это влияет на то, как весь переход ведет себя в целом».

Результаты не только прокладывают путь к лучшему контролю над производством этого конкретного компонента. Поскольку исследователи обнаружили основной механизм, управляющий структурой интерфейса между ферромагнитными металлами и двумерными материалами, они распространяются и на другие материальные системы.

Оно говорит:

«Наша цель — разработать высокопроизводительные магнитные туннельные переходы, изготовленные также из других материалов. Мы считаем, что достигли фундаментальных и ценных результатов, которые продвинут исследования во всей области».

Больше информации: Naohiro Matsumoto et al, Theoretical investigation of interface atomic structure of graphene on NiFe alloy substrate, Journal of Applied Physics (2025). DOI: 10.1063/5.0283881

Источник: Kobe University