Dagens datorer använder ofta så många som fyra olika typer av minnesteknik, från hårddisken till minneschipsen, var och en med sina egna styrkor och svagheter. En ny minnesteknik kan vara redo att störa detta landskap, dock, med en unik kombination av funktioner. Det går under den svårhanterliga akronymen STT-MRAM, som står för spin-transfer torque magnetic random access memory.

"All annan minnesteknik är bra på vissa saker och inte så bra på andra. Folk hoppas att STT-MRAM kan vara bra på allt, säger elektroingenjören Holger Schmidt, Kapany professor i optoelektronik vid UC Santa Cruz.

Som en av 15 partners i Samsung Global MRAM Innovation-programmet, Schmidts labb samarbetar med Samsung-forskare för att hjälpa till att utveckla denna framväxande minnesteknik. Med sin expertis inom optoelektronik, Schmidt använder optiska tekniker baserade på ultrakorta laserpulser för att studera förproduktionsprototypenheter från Samsung. Hans bedömningar hjälper företaget att optimera sina material och tillverkningsprocesser.

Nanomagneter

STT-MRAM lagrar information i magnetiska tillstånd för små magnetiska element eller "nanomagneter" mindre än 100 nanometer tvärs över. Till skillnad från andra magnetiska lagringsteknologier, såsom hårddiskar med sina snurrande skivor och magnetiska läs-skrivhuvuden, STT-MRAM-enheter har inga rörliga delar eftersom de använder elektrisk ström för att läsa och skriva data. Även om nuvarande implementeringar fortfarande har gott om utrymme för förbättringar, tekniken erbjuder potential för hög hastighet, hög densitet, energieffektivt minne som är beständigt, vilket innebär att lagrad information inte går förlorad när strömmen stängs av.

Flera viktiga framsteg inom fysik och materialvetenskap under de senaste 20 åren har lett till utvecklingen av STT-MRAM och andra så kallade spintroniska teknologier. Medan elektroniska enheter är baserade på förflyttning av elektriska laddningar, spintronik utnyttjar en annan egenskap hos elektroner som kallas spin. Spinn är ett av de där bisarra begreppen kvantmekanik utan en direkt motsvarighet i vår makroskopiska värld. Det räcker med att säga att elektroner beter sig som om de snurrade, producerar ett litet magnetiskt moment (som en liten stavmagnet med nord- och sydpoler) som kan interagera med andra elektroner och atomer i ett material.

Nanomagneterna i en STT-MRAM-enhet, kallade spinnventiler eller magnetiska tunnelövergångar, har två magnetiska lager åtskilda av en tunn barriär genom vilken elektrisk ström kan flyta. När spinnen i de två magnetiska lagren är inriktade, motståndet är lågt, och om de två lagren har motsatta snurr är motståndet högt, tillhandahåller två läsbara och omkopplingsbara tillstånd för att representera 0 och 1 i datorers binära logik.

Snurröverföring

Möjligheten att växla tillståndet för en spinnventil med en elektrisk ström var en kritisk innovation. En polariserad ström där elektronernas spinn är inriktade kan överföra det spinntillståndet till ett av de magnetiska lagren när det passerar genom, ett fenomen som kallas spin-transfer torque (STT).

STT-MRAM-chips för nischapplikationer har precis börjat nå marknaden, och dussintals företag arbetar med att optimera tekniken för användning inom hemelektronik.

Enligt Schmidt, en av utmaningarna är att driva chipsen med så lite kraft som möjligt så att de inte värms upp för mycket. Hur mycket ström som krävs för att byta en nanomagnet beror på dämpning, eller hur lång tid det tar att slå sig ner i ett nytt spinnläge, han förklarade. Att mäta dämpningsparametrar i en rad nanomagneter är extremt utmanande, men Schmidts labb kan göra detta med korta laserpulser. Han och hans medarbetare, ledd av doktoranden och första författaren Mike Jaris, rapporterade sina senaste rön i en tidning publicerad i Bokstäver i tillämpad fysik .

"Vi kunde extrahera dämpningsmätningar från prototypenheter och visa effekterna av tillverkningsprocessen på nanomagneternas materialegenskaper, " sa Schmidt.

Samarbetet med Samsung har varit spännande för hans labb, han sa, ge sina elever möjlighet att arbeta i framkanten av en framväxande teknologi. "Det är en helt annan typ av minne, och jag förväntar mig att det kommer att användas i fler applikationer under de närmaste åren, " han sa.