今天的计算机经常使用的有多达四种不同的内存技术,从硬盘到内存芯片,每个都有自己的优点和缺点。然而,一项新的存储记忆技术可能会打破这一状态,实现具有独特的功能组合。这项技术的缩写是STT-MRAM,即自旋转移矩磁随机存取存储器的英文简称。
“所有其他的内存技术都擅长一些特性功能,而不擅长于其他功能。人们希望STT-MRAM可以对于一切功能都能应用很好,”电气工程师Holger Schmidt说,他是加州大学圣克鲁斯分校光电子学教授。
作为一个三星全球创新计划15个 MRAM的伙伴之一,施密特实验室与三星的研究人员合作,共同进行开发这一新兴的存储技术。他的专长在光电领域,施密特使用的是基于超短脉冲激光的光学技术,研究三星试制的原型器件。他的评估可以帮助公司优化他们的材料和制造工艺。
纳米磁体
STT-MRAM进行信息的存储是在小型的磁性元件或者横截面小于100微米的纳米磁体的磁态中。不像其他磁存储技术,如硬驱动以及其中旋转或磁光盘的读写头,STT-MRAM器件不需要动,因为其中所用电流进行读和写两种数据的处理。尽管当前的技术仍有很大的改善空间,但该项技术对于实现具有高速、高密度、高能源效率的存储技术有很重要的潜在价值,这是一种非易失性存储器,意味着这种存储的信息,即使当电源被切断时也不会丢失。
在过去20年里,物理和材料科学领域的几个关键的进展,导致STT-MRAM和其他所谓的自旋电子技术的发展。而电子设备是基于电荷的运动,自旋电子学所利用的是电子的另一个特性称为自旋。自旋是量子力学中很奇特的概念之一,在我们的宏观世界中没有直接的等价物。可以说,电子的行为就像它们在旋转,产生一个小的磁矩(就像一个微小的条形磁铁的北极和南极),可以与材料中其他电子和原子相互作用。
在STT-MRAM装置中的微型磁体,称为自旋阀或磁性隧道结,有两个由薄层阻挡开的磁层而电流能够在其间流通。当两磁性层的自旋对齐时,抵抗力较低,如果两层有相反的自旋,阻力就会很大,提供两可读和可转换的状态代表在计算机的二进制逻辑0和1。
自旋转移
利用电流作为自旋阀的状态的开关是一项关键性的创新。在一个极化电流中,电子的自旋排列对其可以转移电子的自旋态穿过一个磁层,这种现象称为自旋转移力矩(STT)。
STT-MRAM芯片这种小应用刚刚开始进入市场,与数十家公司正在努力合作,优化该项技术可用于消费电子产品。
据Schmidt叙述,其中一个挑战是芯片在尽可能小功率下工作,从而保证他们产生较少的热量。他解释说,切换实现需要多少电流,取决于阻尼,或需要多长时间才能安定下来进入一个新的自旋态。在纳米磁体中数组阻尼参数的测量是非常具有挑战性的,但Schmidt的实验室能够使用短脉冲激光做这个测试。他和他的合作者,其研究生和第一作者Mike Jaris,报告了他们的最新发现,并发表在《应用物理通讯》杂志上。
“我们能够提取阻尼的原型设备,测量和显示磁体材料性能相对于制造工艺的影响,” Schmidt说。
他说,与三星的合作令人兴奋,在他的实验室,能够让他的学生有机会在一个新兴技术的前沿工作。“这是一个完全不同类型的内存,我希望看到它未来几年在更多的应用程序中使用。”
