Hard disk-uri şi memorii mai rapide prin utilizarea dispozitivelor spintronice

Funcţionarea dispozitivelor electronice se bazează pe sarcina electrică a electronilor care trec prin circuitele electronice. Dispozitivele spintronice reprezintă o soluție alternativă care este în prezent în curs de dezvoltare. Aceste dispozitive nu se bazează pe sarcina electronilor, ci pe o proprietate cuantică fundamentală denumită spin.

Vă puteţi imagina spinul gândindu-vă la modul în care Pământul se roteşte în jurul propriei sale axe de rotație în timp ce se învârte și în jurul Soarelui. În același fel, un electron se învârte în jurul axei sale de rotație în timp ce se roteşte în jurul nucleului atomic. Ca direcție, spinul poate să fie în „sus” sau în „jos”.

Dispozitivele electronice tradiționale utilizează sarcina electrică pentru a reprezenta informația sub o formă binară: 0 şi 1. Cele două stări ale spinului pot fi folosite pentru a reprezenta aceleași date binare în cadrul dispozitivelor spintronice.

Spinul electronic generează câmpuri magnetice de slabă intensitate şi în consecinţă metalele feroase, cum ar fi fierul, se magnetizează. Un număr suficient de mare de particule având acelaşi spin generează un câmp magnetic de aceeași polaritate ca şi spinul.

Dispozitivele spintronice au mai multe avantaje față de dispozitivele electronice convenţionale. Acestea din urmă necesită materiale semiconductoare speciale pentru controlul fluxului de electroni ce trec prin tranzistori. În schimb, proprietatea de spin poate fi utilizată într-un mod foarte simplu în metale obişnuite precum ar fi cuprul sau aluminiul. Este nevoie de o cantitate mai mică de energie pentru a schimba spinul electronilor decât pentru a genera un curent electric pentru a menţine sarcinile electrice într-un dispozitiv electronic, astfel încât dispozitivele spintronice utilizează mai puțină energie electrică.

De asemenea, spinul poate fi modificat rapid, ceea ce permite obținerea unei viteze de transfer a datelor mai mare. Și pentru că spinul electronilor nu este dependent de o sursă de alimentare, spinul nu este volatil – informaţiile trimise utilizând proprietatea de spin rămân nemodificate, chiar și după întreruperea alimentării cu energie a circuitelor.

Noi hard disk-uri ce utilizează spinul electronic

Profesorii Albert Fert și Peter Grünberg au primit Premiul Nobel pentru Fizică în anul 2007 pentru descoperirea efectului de magnetorezistență gigant GMR (giant magnetoresistance). Ei şi-au dat seama că este posibil să se utilizeze spinul electronic pentru a crește viteza cu care informațiile pot fi citite de pe o unitate de hard disk și au dezvoltat o tehnologie inovatoare pentru a valorifica această caracteristică.

Un hard disk stochează datele sub formă binară (1 și 0) prin magnetizarea unor discuri aflate în rotaţie. Câmpul magnetic este generat atunci când electronii circulă prin bobinele montate în capetele de scriere/citire care se deplasează deasupra discurilor magnetice, modificând alinierea particulelor feromagnetice de pe suprafața acestora. Prin inversarea direcţiei de deplasare a electronilor se inversează polarizarea câmpurilor magnetice. Cele două direcții reprezintă practic 1 și 0. Pentru a citi de pe discurile feromagnetice, procesul se desfășoară în sens invers.

Un hard disk conține discuri feromagnetice și capete magnetice de citire/scriere. Credit: drive by mike mols/shutterstock.com

Un cap de scriere/citire de tip GMR constă din două straturi feromagnetice, unul corespunzător unui câmp magnetic fix ca direcție și celălalt lăsat liber să se alinieze cu câmpul magnetic codificat pe disc, între care se află un strat nemagnetic.

Capul magnetic al unui hard disk. Credit: amagill, CC BY

Atunci când un electron trece printr-un câmp magnetic spinul acestuia se poate schimba, fenomenul fiind cunoscut sub numele de împrăștiere (N.t. împrăștierea dependentă de spin a electronilor în straturile feromagnetice). În cazul în care electronii au stări de spin aleatorii apare o rezistență mai mare la trecerea curentului electric în structura multistrat. Prin alinierea spinului electronilor cu direcţia câmpului magnetic din straturile capului de citire se reduce semnificativ rezistența la trecerea curentului electric şi se măreşte viteza de transfer a datelor. Tehnologia GMR a fost utilizată pentru prima dată de IBM în anul 1997 pentru obţinerea unor unități de hard disk mai rapide și cu o densitate mai mare de stocare a datelor în comparaţie cu hard disk-urile realizate anterior.

Memoriile calculatoarelor şi spinul electronic

Următorul pas a fost aplicarea tehnologiei GMR pentru realizarea memoriilor de calculator cu scopul de a înlocui memoriile DRAM (Dynamic random-access memory) cu memorii RAM de tip magnetic (MRAM-Magnetoresistive random-access memory). Primul produs comercial de acest tip a fost realizat de Everspin şi a fost folosit în aeronavele Airbus și în motocicletele BMW datorită fiabilității sale în condiții de stres termic sau sub acţiunea radiaţiilor ionizante – cele care afectează aeronavele de croazieră la altitudini mari.

Memoriile MRAM utilizează acelaşi principiu de funcţionare ca şi hard disk-urile GMR, dar folosesc o celulă magnetorezistentă pentru a stoca date în locul unui disc feromagnetic în rotaţie ca în cazul hard disk-urilor. Deși nu sunt la fel de rapide ca şi memoriile DRAM, celulele magnetice pot stoca orientările spinului şi implicit datele reprezentate de acestea chiar şi atunci când nu mai sunt alimentate cu energie electrică. Se preconizează că memoriile MRAM vor înlocui memoria flash utilizată în mod obișnuit, mai ales cardurile SD (SecureDigital) și Compact Flash, deoarece ele sunt mai rapide și au o durată de viaţă mai mare decât în cazul memoriei flash.

Alţi producători, cum ar fi Intel, Qualcomm, Toshiba și Samsung, dezvoltă memorii MRAM pentru a le utiliza ca memorie cache pentru procesor. Cipurile de memorie MRAM de capacitate mare şi mult mai rapide consumă cu până la 80% mai puțină energie decât cipurile de memorie cache utilizate în prezent.

În condiţiile în care nu se vor mai putea miniaturiza circuitele integrate pe bază de siliciu ce stau la baza dispozitivelor electronice, componentele spintronice vor juca un rol important pentru creșterea în continuare a performanțelor de lucru prin viteza mare de transfer a datelor, capacitatea mare de stocare, consumul redus de energie şi un cost de producţie scăzut.

Traducere după Shift from electronics to spintronics opens up possibilities of faster data