今天的計算機經常使用的有多達四種不同的內存技術,從硬盤到內存芯片,每個都有自己的優點和缺點。然而,一項新的存儲記憶技術可能會打破這一狀態,實現具有獨特的功能組合。這項技術的縮寫是STT-MRAM,即自旋轉移矩磁隨機存取存儲器的英文簡稱。

“所有其他的內存技術都擅長一些特性功能,而不擅長于其他功能。人們希望STT-MRAM可以對于一切功能都能應用很好,”電氣工程師Holger Schmidt說,他是加州大學圣克魯斯分校光電子學教授。

作為一個三星全球創新計劃15個 MRAM的伙伴之一,施密特實驗室與三星的研究人員合作,共同進行開發這一新興的存儲技術。他的專長在光電領域,施密特使用的是基于超短脈沖激光的光學技術,研究三星試制的原型器件。他的評估可以幫助公司優化他們的材料和制造工藝。

納米磁體

STT-MRAM進行信息的存儲是在小型的磁性元件或者橫截面小于100微米的納米磁體的磁態中。不像其他磁存儲技術,如硬驅動以及其中旋轉或磁光盤的讀寫頭,STT-MRAM器件不需要動,因為其中所用電流進行讀和寫兩種數據的處理。盡管當前的技術仍有很大的改善空間,但該項技術對于實現具有高速、高密度、高能源效率的存儲技術有很重要的潛在價值,這是一種非易失性存儲器,意味著這種存儲的信息,即使當電源被切斷時也不會丟失。

在過去20年里,物理和材料科學領域的幾個關鍵的進展,導致STT-MRAM和其他所謂的自旋電子技術的發展。而電子設備是基于電荷的運動,自旋電子學所利用的是電子的另一個特性稱為自旋。自旋是量子力學中很奇特的概念之一,在我們的宏觀世界中沒有直接的等價物。可以說,電子的行為就像它們在旋轉,產生一個小的磁矩(就像一個微小的條形磁鐵的北極和南極),可以與材料中其他電子和原子相互作用。

在STT-MRAM裝置中的微型磁體,稱為自旋閥或磁性隧道結,有兩個由薄層阻擋開的磁層而電流能夠在其間流通。當兩磁性層的自旋對齊時,抵抗力較低,如果兩層有相反的自旋,阻力就會很大,提供兩可讀和可轉換的狀態代表在計算機的二進制邏輯0和1。

自旋轉移

利用電流作為自旋閥的狀態的開關是一項關鍵性的創新。在一個極化電流中,電子的自旋排列對其可以轉移電子的自旋態穿過一個磁層,這種現象稱為自旋轉移力矩(STT)。

STT-MRAM芯片這種小應用剛剛開始進入市場,與數十家公司正在努力合作,優化該項技術可用于消費電子產品。

據Schmidt敘述,其中一個挑戰是芯片在盡可能小功率下工作,從而保證他們產生較少的熱量。他解釋說,切換實現需要多少電流,取決于阻尼,或需要多長時間才能安定下來進入一個新的自旋態。在納米磁體中數組阻尼參數的測量是非常具有挑戰性的,但Schmidt的實驗室能夠使用短脈沖激光做這個測試。他和他的合作者,其研究生和第一作者Mike Jaris,報告了他們的最新發現,并發表在《應用物理通訊》雜志上。

“我們能夠提取阻尼的原型設備,測量和顯示磁體材料性能相對于制造工藝的影響,” Schmidt說。

他說,與三星的合作令人興奮,在他的實驗室,能夠讓他的學生有機會在一個新興技術的前沿工作。“這是一個完全不同類型的內存,我希望看到它未來幾年在更多的應用程序中使用。”