Datorer och smartphones har olika typer av minne, som varierar i hastighet och energieffektivitet beroende på var de används i systemet. Vanligtvis kommer större datorer, särskilt de i datacenter, att använda många magnetiska hårddiskar, som är mindre vanliga i konsumentsystem nu. Den magnetiska tekniken dessa är baserade på ger mycket hög kapacitet, men saknar hastigheten hos solid state systemminne. Enheter baserade på kommande spintronic-teknik kan kanske överbrygga det gapet och radikalt förbättra till och med teoretiska prestanda hos klassiska elektroniska enheter.

Professor Satoru Nakatsuji och projektdocent Tomoya Higo från institutionen för fysik vid University of Tokyo, tillsammans med sitt team, utforskar spintronikens värld och andra relaterade områden inom fast tillståndets fysik – i stort sett fysiken hos saker som fungerar utan att röra sig . Genom åren har de studerat speciella sorters magnetiska material, av vilka några har mycket ovanliga egenskaper. Du kommer att känna till ferromagneter, eftersom dessa är sådana som finns i många vardagliga applikationer som datorhårddiskar och elmotorer - du har förmodligen till och med några fastnat i ditt kylskåp. Men av större intresse för teamet är mer obskyra magnetiska material som kallas antiferromagneter.

"Liksom ferromagneter, antiferromagneter magnetiska egenskaper uppstår från det kollektiva beteendet hos deras komponentpartiklar, i synnerhet snurrandet av deras elektroner, något som är analogt med rörelsemängd," sade Nakatsuji. "Båda materialen kan användas för att koda information genom att ändra lokala grupper av ingående partiklar. Antiferromagneter har dock en distinkt fördel i den höga hastighet med vilken dessa förändringar av de informationslagrande spinntillstånden kan göras, till priset av ökad komplexitet. "

"Vissa spintroniska minnesenheter finns redan. MRAM (magnetoresistive random access memory) har kommersialiserats och kan ersätta elektroniskt minne i vissa situationer, men det är baserat på ferromagnetisk omkoppling", säger Higo. "Efter mycket försök och misstag tror jag att vi är de första att rapportera framgångsrikt byte av spinntillstånd i antiferromagnetiskt material Mn₃ Sn genom att använda samma metod som den som används för ferromagneter i MRAM, vilket innebär att vi har fått det antiferromagnetiska ämnet att fungera som en enkel minnesenhet."

Denna metod för omkoppling kallas spin-orbit torque (SOT) switching och det är anledning till spänning inom tekniksektorn. Den använder en bråkdel av kraften för att ändra tillståndet för en bit (1 eller 0) i minnet, och även om forskarnas experiment innebar att byta deras Mn₃ Sn samplar på så lite som några millisekunder (tusendels sekund), de är övertygade om att SOT-växling kan ske på pikosekundskalan (biljondels sekund), vilket skulle vara storleksordningar snabbare än växlingshastigheten för nuvarande tillstånd- moderna elektroniska datorchips.

"Vi uppnådde detta tack vare det unika materialet Mn₃ Sn," sa Nakatsuji. "Det visade sig vara mycket lättare att arbeta med på det här sättet som andra antiferromagnetiska material kan ha varit."

"Det finns ingen regelbok om hur man tillverkar detta material. Vi strävar efter att skapa ett rent, platt kristallgitter av Mn₃ Sn från mangan och tenn med hjälp av en process som kallas molekylär strålepitaxi," sa Higo. "Det finns många parametrar för denna process som måste finjusteras, och vi förfinar fortfarande processen för att se hur den kan skalas upp om den är att bli en industriell metod en dag."

Forskningen publicerades i Nature . + Utforska vidare

Elektrisk manipulering av magnetiska partiklar möjliggör stort höghastighetsminne