Исследователи из Китая и Франции создали магнитные наноструктуры размером меньше 10 нанометров, используя отдельные углеродные нанотрубки как маски для травления. При таком уменьшении структуры сохранили обменное смещение, которое помогает удерживать направление намагниченности, и возможность переключаться электрическим током. Результат приближает создание более плотной магнитной памяти, хотя до готовых микросхем MRAM ещё предстоит пройти несколько этапов.
Команда под руководством профессора Чжао Вэйшэна из Бэйханского университета проверила подход на многослойных структурах из платины, кобальта и сплава иридия с марганцем. Для магнитной памяти мало просто уменьшить элемент. Нужно сохранить записанное состояние и одновременно оставить возможность надёжно менять его при записи.
Помочь удерживать намагниченность может обменное смещение. Эффект возникает на границе ферромагнетика и антиферромагнетика, материала с противоположно направленными магнитными моментами. Взаимодействие между соседними слоями задаёт предпочтительное направление намагниченности. Авторы проверяли, сохранится ли такой механизм в структурах, размеры которых составляют считаные нанометры.
Для изготовления самых узких элементов исследователи применили нанотрубку как крошечный защитный трафарет. При травлении открытый материал удаляется, а под маской остаётся узкая полоска. Так размер структуры можно задать без обычного литографического рисунка на данном этапе. Ширина полученной магнитной нанопроволоки составила около 8,66 нанометра, что авторы подтвердили с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Речь идёт о физическом размере структуры, а не об условном названии техпроцесса.
Обменное смещение сохранилось и ниже 10 нанометров. Электрические измерения также подтвердили переключение за счёт спин-орбитального момента. При таком способе записи ток создаёт воздействие на магнитные моменты, которое меняет направление намагниченности.
При уменьшении образцов исследователи заметили различие между поведением слоёв. Кобальт переходил к резкому переключению как единая магнитная область, тогда как обменное смещение продолжало изменяться постепенно. Авторы связывают разницу с коллективным поворотом магнитных моментов антиферромагнетика по механизму «обменной пружины».
Работа показывает, что нужные для будущей памяти магнитные эффекты сохраняются в столь маленьких структурах. Однако нанопроволока с электрически управляемой намагниченностью ещё не равна готовой ячейке MRAM. Для практической памяти потребуется подтвердить срок хранения данных, ресурс перезаписи и возможность выпускать большие массивы одинаковых элементов.
Статья опубликована в Nature Communications.