Европейские ученые разработали метаматериал для трехмерного хранения данных
Исследователи из Германии впервые продемонстрировали возможность хранения не отдельных битов, а целых битовых последовательностей в цилиндрических магнитных доменах. Эти домены представляют собой крошечные цилиндрические области размером всего около 100 нанометров в тонком магнитном поле. Технология использует многослойные магнитные наноструктуры для трехмерного хранения данных, значительно превосходя плотность записи современных жестких дисков. Помимо запоминающих устройств, разработка открывает перспективы для создания инновационных магнитных сенсоров и даже нейронных сетей.
Цилиндрический домен, который также называется «пузырьковым доменом», - это крошечная цилиндрическая область в тонком магнитном слое. Его спины (собственные моменты импульса электронов, которые создают магнитный момент в материале) направлены в определенную сторону. Это создает намагниченность, отличающуюся от остальной среды. «Представьте себе небольшой цилиндрический магнитный пузырек, парящий в море противоположной намагниченности», - говорит профессор Олав Хеллвиг из Центра Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR). Ученые уверены, что эти магнитные структуры могут применяться в области спинтроники.
Доменные стенки - ключевой элемент в этой структуре. Они формируются на границах цилиндрических доменов и являются областями, где происходит изменение направления намагниченности. Именно эти участки с меняющейся намагниченностью могут использоваться для кодирования битов информации.
«Наши нынешние жесткие диски с шириной дорожек от 30 до 40 нанометров и длиной бита от 15 до 20 нанометров вмещают примерно один терабайт данных на поверхности размером с почтовую марку. Мы работаем над преодолением этого ограничения плотности данных, расширяя хранение в третьем измерении», - объясняет Хеллвиг.
Для преодоления ограничений плотности данных на современных жестких дисках и расширения возможностей 3D-хранения команда использовала многослойные магнитные структуры. Эти структуры состояли из чередующихся слоев кобальта и платины, разделенных слоями рутения. Слои были нанесены на кремниевые подложки, образуя синтетический антиферромагнетик с вертикальной структурой намагниченности. При такой структуре соседние блоки слоев имеют противоположные направления намагниченности, что нейтрализует намагниченность в целом.
Ученые разработали новую концепцию памяти «racetrack» («беговая дорожка»). Магнитные «пузыри» расположены вдоль «беговой дорожки», подобно жемчужинам на нитке. Толщину слоев можно контролировать, что позволяет управлять магнитными свойствами «пузырей». Благодаря этому домены могут хранить не просто отдельные биты, а целые последовательности битов в форме направления намагниченности доменных стенок, зависящего от глубины. Эти «домены» с информацией можно быстро и эффективно перемещать по специальным «магнитным дорогам». Таким образом, информация хранится в трехмерных магнитных структурах, а не в плоских слоях, как в традиционных чипах памяти.
Помимо хранения данных, технология с многослойными магнитными наноструктурами имеет потенциал для других применений в магнитоэлектронике, например, в магниторезистивных датчиках и спинтронных компонентах. Кроме того, эти сложные магнитные нанообъекты позволят разработать магнитные нейронные сети, которые могли бы обрабатывать информацию эффективнее, подобно человеческому мозгу.