De computers van tegenwoordig gebruiken vaak wel vier verschillende soorten geheugentechnologie, van de harde schijf tot de geheugenchips, elk met zijn eigen sterke en zwakke punten. Een nieuwe geheugentechnologie staat op het punt om dit landschap te verstoren, echter, met een unieke combinatie van eigenschappen. Het gaat door het logge acroniem STT-MRAM, wat staat voor spin-transfer torque magnetisch willekeurig toegankelijk geheugen.

"Alle andere geheugentechnologieën zijn goed in sommige dingen en niet zo goed in andere. Mensen hopen dat STT-MRAM overal goed in kan zijn, " zei elektrotechnisch ingenieur Holger Schmidt, de Kapany-hoogleraar opto-elektronica aan de UC Santa Cruz.

Als een van de 15 partners in het Samsung Global MRAM Innovation-programma, Schmidt's lab werkt samen met Samsung-onderzoekers om deze opkomende geheugentechnologie te helpen ontwikkelen. Met zijn expertise in opto-elektronica, Schmidt gebruikt optische technieken op basis van ultrakorte laserpulsen om prototypen van prototypen van Samsung te bestuderen. Zijn beoordelingen helpen het bedrijf hun materialen en fabricageprocessen te optimaliseren.

Nanomagneten

STT-MRAM slaat informatie op in de magnetische toestanden van kleine magnetische elementen of "nanomagneten" met een diameter van minder dan 100 nanometer. In tegenstelling tot andere magnetische opslagtechnologieën, zoals harde schijven met hun draaiende schijven en magnetische lees-schrijfkoppen, STT-MRAM-apparaten hebben geen bewegende delen omdat ze elektrische stroom gebruiken om gegevens te lezen en te schrijven. Hoewel de huidige implementaties nog veel ruimte voor verbetering bieden, de technologie biedt het potentieel voor high-speed, hoge dichtheid, energiezuinig geheugen dat niet-vluchtig is, wat betekent dat opgeslagen informatie niet verloren gaat wanneer de stroom wordt uitgeschakeld.

Verschillende belangrijke vorderingen in de natuurkunde en materiaalwetenschap in de afgelopen 20 jaar hebben geleid tot de ontwikkeling van STT-MRAM en andere zogenaamde spintronische technologieën. Terwijl elektronische apparaten gebaseerd zijn op de beweging van elektrische ladingen, spintronica maakt gebruik van een andere eigenschap van elektronen, spin genaamd. Spin is een van die bizarre concepten van de kwantummechanica zonder direct equivalent in onze macroscopische wereld. Het volstaat te zeggen dat elektronen zich gedragen alsof ze draaien, het produceren van een klein magnetisch moment (zoals een kleine staafmagneet met noord- en zuidpolen) dat kan interageren met andere elektronen en atomen in een materiaal.

De nanomagneten in een STT-MRAM-apparaat, zogenaamde spinkleppen of magnetische tunnelovergangen, hebben twee magnetische lagen gescheiden door een dunne barrière waardoor elektrische stroom kan vloeien. Wanneer de spins in de twee magnetische lagen zijn uitgelijnd, weerstand is laag, en als de twee lagen tegengestelde spins hebben, is de weerstand hoog, biedt twee leesbare en schakelbare toestanden om 0 en 1 weer te geven in de binaire logica van computers.

Spin overdracht

De mogelijkheid om de toestand van een spinklep te schakelen met een elektrische stroom was een cruciale innovatie. Een gepolariseerde stroom waarin de spins van de elektronen zijn uitgelijnd, kan die spintoestand tijdens het passeren overbrengen naar een van de magnetische lagen, een fenomeen dat spin-transfer koppel (STT) wordt genoemd.

STT-MRAM-chips voor nichetoepassingen beginnen net de markt te bereiken, en tientallen bedrijven werken aan het optimaliseren van de technologie voor gebruik in consumentenelektronica.

Volgens Schmidt, een van de uitdagingen is om de chips met zo min mogelijk vermogen te laten werken, zodat ze niet te heet worden. Hoeveel stroom er nodig is om een ​​nanomagneet te schakelen, hangt af van demping, of hoe lang het duurt om in een nieuwe spin-staat te komen, hij legde uit. Het meten van dempingsparameters in een reeks nanomagneten is buitengewoon uitdagend, maar het lab van Schmidt kan dit doen met korte laserpulsen. Hij en zijn medewerkers, onder leiding van afgestudeerde student en eerste auteur Mike Jaris, rapporteerden hun laatste bevindingen in een paper gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven .

"We waren in staat om dempingsmetingen uit prototype-apparaten te extraheren en de effecten van het fabricageproces op de materiaaleigenschappen van de nanomagneten te laten zien, ' zei Schmidt.

De samenwerking met Samsung was spannend voor zijn lab, hij zei, zijn studenten de kans te geven om te werken op het snijvlak van een opkomende technologie. "Het is een heel ander type geheugen, en ik verwacht dat het de komende jaren in meer toepassingen zal worden gebruikt, " hij zei.