مرة واحدة بدأ اليوم مع فنجان قهوة وصحيفة الصباح. في هذه الأيام ، لم يفقد حب القهوة في الصباح أهميتها ، لكن وسائل الأخبار الورقية حلت محلها الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية وغيرها من الأدوات المتصلة بالإنترنت. ولا يوجد خطأ في ذلك ، لأن شبكة الويب العالمية تسمح لنا بتلقي المعلومات والتواصل مع أشخاص من أنحاء مختلفة من العالم. يزداد حجم البيانات التي يتم إنشاؤها في العالم باستمرار كل يوم. إن كل مقال أو صورة أو حتى تغريدة من كلمتين هي جزء من مجال المعلومات الواسع والمتزايد على الأرض. لكن هذه البيانات ليست أثيرية ، فهي لا تطفو في السحب ، ولكن يتم تخزينها في مكان ما. أدواتنا ومؤسساتنا المتخصصة - تعمل مراكز البيانات كمكان لتخزين البيانات. من المتوقع أن تستهلك المباني المليئة بالسعة بالخوادم الكثير من الطاقة. منطقياأنه مع زيادة الحجم العالمي للبيانات ، ستزيد كمية الطاقة المستهلكة. اليوم نلقي نظرة على دراسة قام فيها علماء من جامعة ماينز (ألمانيا) بتطوير تقنية جديدة لكتابة البيانات إلى الخوادم ، والتي ، من الناحية النظرية ، يمكن أن تقلل من استهلاك الطاقة إلى النصف. ما هي العمليات الفيزيائية والكيميائية المشاركة في التطوير ، وما أظهرت التجارب ، وهل إمكانات هذا العمل عظيمة كما يقول مؤلفوها؟ نتعلم عن هذا من تقرير العلماء. اذهب.ما هي العمليات الفيزيائية والكيميائية المشاركة في التطوير ، وما أظهرت التجارب ، وهل إمكانات هذا العمل عظيمة كما يقول مؤلفوها؟ نتعلم عن هذا من تقرير العلماء. اذهب.ما هي العمليات الفيزيائية والكيميائية المشاركة في التطوير ، وما أظهرت التجارب ، وهل إمكانات هذا العمل عظيمة كما يقول مؤلفوها؟ نتعلم عن هذا من تقرير العلماء. اذهب.
أساس البحث
جذر جميع الأبحاث هو السنترونيك ، العلم الذي يدرس النقل الحالي. الدوران ، بدوره ، هو الزخم الزاوي المناسب للجسيم الأولي. في السنوات الأخيرة ، زاد الاهتمام بالسبينترونيك بشكل كبير ، مما جعل من الممكن اكتشاف الكثير من الأشياء الجديدة ، بما في ذلك تبديل التيار باستخدام لحظات الدوران (SOT من عزم الدوران المداري ) في ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية (MRAM).
تعتبر البوابات الدورانية واحدة من أهم مكونات MRAM. تتكون هذه الأجهزة من مادتين أو أكثر من المواد المغناطيسية الموصلة ، والتي يمكن أن تختلف مقاومتها الكهربائية بين قيمتين اعتمادًا على المحاذاة النسبية للمغنطة في الطبقات.
يحدث التبديل الناجم عن SOT في bilayers ثنائية المعدن (FM-HM) ، حيث يوجد تخميد كبير (قمع التذبذبات) بسبب تدفق التيار الكهربائي على طول الاتجاه x . تنشأ SOTs من تأثير Hall spin في الجزء الأكبر من مادة HM ومن التأثير الجلفاني العكسي للدوران في واجهة FM-HM.
وقد أظهرت دراسات سابقة أن قيمة سوت ثبط يمكن أن يكون كافيا كبيرة لتبديل اتجاه مغنطة في الكثافة الحالية المنخفضة (حتى 10 7 -10 8 A / سم -2 ).
يمكن تعديل معلمات العينة (على سبيل المثال تكوين وسمك طبقة البنية غير المتجانسة FM-HM) لتحديد حجم وعلامة SOT. ولكن ، كما يقول العلماء ، من الأهم بكثير اكتساب تحكم ديناميكي في الوقت الحقيقي على SOTs أنفسهم.
يعد الضغط الميكانيكي الناتج عن المجال الكهربائي إحدى الأدوات الفعالة للطاقة للحصول على هذا التحكم. يتذكر العلماء أنه من خلال تجنب الحاجة إلى التيار الكهربائي وبالتالي القضاء على الخسائر المرتبطة به ، فإن التشوه يضبط بشكل فعال الخصائص المغناطيسية (مثل التباين المغناطيسي) وبالتالي بنية المجال المغناطيسي وديناميكيات الأغشية الرقيقة في الطائرة. علاوة على ذلك ، نظرًا لأنه يمكن تطبيق التشوه محليًا ، فإنه يوفر منصة لتطوير وتنفيذ مفاهيم التبديل المعقدة في الأجهزة ذات البنية المبسطة.
تم بالفعل إجراء محاولات للتحقيق في تأثير التشوه على التبديل بسبب SOT ، في المقام الأول تأثير التشوه على متباين الخواص والتأثير الناتج على التبديل. بالإضافة إلى ذلك ، ركزت الأبحاث السابقة حصريًا على الأنظمة ذات المحور المغناطيسي المستوي ، ولم يتم إجراء أي بحث تجريبي في مواد متعددة الطبقات ممغنطة بشكل عمودي.
ومع ذلك ، وفقًا لمؤلفي هذا العمل ، يكمن في إمكانات كبيرة في المواد متعددة الطبقات الممغنطة بشكل عمودي. على وجه الخصوص ، يرجع الوعد باستخدام أنظمة ذات تباين مغناطيسي متعامد (PMA للتباين المغناطيسي المتعامد ) إلى زيادة الاستقرار الحراري ، وكثافة تعبئة أعلى ، وتحسين القياس.
في الدراسة التي ندرسها اليوم ، أظهر العلماء التحكم في الجهد المستحث كهربائيًا (ميكانيكيًا) في SOT الممغنطة بشكل عمودي W = CoFeB = MgO متعدد الطبقات نما على ركيزة كهرضغطية. يتم تقدير SOTs عن طريق طريقة التكمية الثانوية وطريقة النقل المغناطيسي في الفولتية الطائرة ذات الطبيعة والحجم المختلفين.
نتائج البحث
وجد أن التشوه الذي تم تعديله بواسطة مجال كهربائي يطبق على ركيزة كهرضغطية ، ينتج عنه استجابات دورانية مميزة.
تُظهر الصورة رقم 1
الصورة 1 أ رسم تخطيطي لمستشعر Hall * من النوع المتقاطع يستخدم لقياس التخميد (DL) وحقول SOT الميدانية (FL) في W (5 نانومتر) / CoFeB (0.6 نانومتر) / MgO (2 نانومتر) / Ta ( 3 نانومتر). نمت الطبقات المتعددة على ركيزة [Pb (Mg 0.33 Nb 0.66 O 3 )] 0.68 (011) (اختصارها PMN-PT) ، والتي تم استخدامها للتوليد الكهربائي للضغوط الميكانيكية. في 1b يظهر صورة الجهاز التي تم التقاطها بواسطة المجهر الضوئي.
* — .تم الحصول على تشوه أحادي المحور داخل الطائرة من خلال تطبيق مجال كهربائي DC خارج الطائرة على الركيزة الكهروإجهادية PMN-PT (011).
: — ; b — ; — .
عادة ، تكون استجابة التشوه الكهروإجهادي للحقل الكهربائي التطبيقي هي التباطؤ. ومع ذلك ، فإن المجالات الكهربائية التي تتجاوز خاصية المجال القسرية * لقطب المواد هي الركيزة وتؤدي إلى وضع يكون فيه للسلالة الناتجة استجابة خطية.
القوة القسرية * - قيمة شدة المجال المغناطيسي المطلوبة لإزالة مغناطيسية المادة بالكامل.يتم الحفاظ على الوضع الخطي حتى يتم تحويل الركيزة في الاتجاه الآخر من خلال تطبيق المجالات الكهربائية أكبر من الحقل القسري. لذلك ، قبل القياسات الأولى ، ولكن بعد عملية الهيكلة ، تم تطبيق الاستقطاب على الركيزة PMN-PT عن طريق مجال كهربائي +400 كيلو فولت / م.
علاوة على ذلك ، كانت المجالات الكهربائية للتيار المباشر التي تم استخدامها ، والتي جعلت من الممكن تغيير التشوه في وضع الاستجابة الخطية ، حيث يوفر هذا تحكمًا كهربائيًا موثوقًا به على التشوه المستحث.
وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن تقاطع القاعة قد تم بحيث يتم توجيه كتفيه على طول اتجاهات [011] و [100] من الركيزة PMN-PT (011) ، والتي تتوافق مع اتجاهات التمدد والضغط ، على التوالي.
بادئ ذي بدء ، نميز التباطؤ المغناطيسي للنظام في مجال كهربائي DC صفر. تُظهر
الصورة 1 ب خط جهد هول الشاذ مع مجال مغناطيسي خارج المستوى (μ0 هرتز) يقاس لـ W = CoFeB = MgO = Ta عند 0 كيلو فولت / م (الخط الأحمر) ، ويوضح المحور السهل (المحور السهل) خاصية التحويل مجموعات متعددة الطبقات رقيقة CoFeB.
يتم فرض دورة المغنطة خارج الطائرة ، التي تقاس عند 400 كيلو فولت / م (الخط الأسود) ، فوق جهد القاعة (الخط الأحمر) ولا تظهر أي تغيير كبير بسبب السلالة المتولدة. هذا يشير إلى أن النظام لديه دائمًا تباين مغناطيسي متعامد مهيمن.
الصورة رقم 2
توضح الرسوم البيانية أعلاه اعتمادًا نموذجيًا في المستوى لحقول التوافقيات الأولى (V 1ω ) والثاني (V 2ω ) من جهد القاعة ، عندما تم تطبيق تيار متناوب بكثافة j c = 3.8 x 10 10 A / m -2 على الخط الحالي .
تم ضبط جهد التيار المستمر على 0 ، لذلك لم يتم تطبيق أي جهد على تقاطع القاعة. تُظهر مخططات الحقول الطولية ( 2 أ ) والعرضية ( 2 ب ) التماثلات المتوقعة: بالنسبة للحقل الطولي ، فإن المنحدرات V 2ω ومنحدرات المجال هي نفسها لاتجاهي المغنطة على طول + z (+ M z ) أو -z (-M z) ، في حين أن الحقل المستعرض يصبح عكسيًا.
بعد ذلك ، قام العلماء بتحليل المكونات العرضية (μ 0 ΔH T ) والمكونات الطولية (μ 0 ΔH L ) لمجال SOT لكل من اتجاهي المغنطة M z وحددوا متوسط قيمة هذه المكونات كدالة للكثافة الحالية المطبقة j c ( 2c ).
الصورة رقم 3: توضح
الرسوم البيانية أعلاه نتائج الاعتماد على المجال الكهربائي. تم تحديد أن المجال (FL) SOT لا يتغير بشكل كبير تحت تشوهات الشد والضغط ( 3 أ و 3 ج ). على العكس ، عند 3 بيمكن ملاحظة أن تشوه الشد يضاعف التخميد (DL) SOT عند تطبيق 400 كيلو فولت / م (جهد 0.03٪).
من ناحية أخرى ، عندما يتدفق التيار على طول اتجاه تشوه الضغط ، تنخفض قيمة DL للعزم مع زيادة التشوه.
ويترتب على ذلك أن حجم DL في الوقت الحالي يزيد مع تطبيق تشوه الشد المستحث بالكهرباء وينخفض مع تشوه الضغط.
لفهم الأصل المجهري لاعتماد التشوه المرصود تجريبًا لـ FL و DL SOT ، تم إجراء الحسابات الوظيفية باستخدام نظرية وظيفية الكثافة للهيكل الإلكتروني Fe 1 - x Co x / W (001) ، التي تتكون من ركائز أحادية الطبقة الممغنطة وغير المغناطيسية.
الصورة رقم 4
كما هو موضح في 4 أ ، خلال الحسابات ، تمدد الهيكل البلوري أو تقلص عمدًا مع الحفاظ على منطقة ثابتة في مستوى خلية الوحدة ليأخذ في الاعتبار تأثير التشوه أحادي المحور. يمكن قياس هذا التشوه بنسبة δ = (a ' j - a j ) / a j ، حيث يشير j و' j إلى ثابت الشبكة على طول الاتجاه j في الطائرة في حالة استرخاء ومشوهة ، على التوالي. ونتيجة لذلك ، يقلل أي تشوه نهائي تناظر البلورة الأولي من C 4v إلى C 2v .
استنادًا إلى حسابات البنية الإلكترونية ، اعتماد SOT على δ ( 4b) ، الذي يعرض نفس خصائص الجودة في التجربة الفعلية.
نظرًا لأن FL و DL SOT يأتيان من حالات إلكترونية مختلفة ، فعادة ما يتبعان اعتمادًا مختلفًا على الميزات الهيكلية. وجد أن قيمة DL في الوقت الحالي تزداد خطياً فيما يتعلق بتشوه الشد وتنخفض خطياً فيما يتعلق بالتشوه الانضغاطي. على سبيل المثال ، يؤدي توسيع الشبكة إلى 1٪ على طول اتجاه المجال الكهربائي إلى زيادة كبيرة في توصيل لحظات DL (بحوالي 35٪).
لإجراء تقييم أكثر دقة لهذه الملاحظة ، تم إجراء مقارنة ( 4c) في مجال المساهمات المجهرية في DL SOT للأفلام المريحة والمشوهة. على النقيض من الحالات المشغولة حول النقطة M ، والتي لا تكاد تكون مهمة ، فإن الحالات الإلكترونية بالقرب من نقاط التماثل العالية Γ و X و Y تشكل المصدر الرئيسي لتوصيل DL. على وجه الخصوص ، يعزز تشوه الشد مساهمات سلبية قوية حول X و Y ، مما يؤدي إلى زيادة إجمالية في الموصلية.
لربط البيانات التي تم الحصول عليها بالهيكل الإلكتروني المتاح ، لفت العلماء الانتباه إلى الاستقطاب المداري للحالات في الطبقة المغناطيسية ، حيث تكون الإلكترونات د هي القوة المهيمنة.
بينما d xy و d x 2 - y 2 و d z 2لا تعتمد على علامة التشوه المطبق δ ، تتغير الدولتان d yz و d zx بوضوح فيما يتعلق بالتشوه الشد أو الانضغاطي. والجدير بالذكر أن هذه المدارات تتوسط أيضًا في التهجين مع الركيزة المعدنية الثقيلة. ويترتب على ذلك أن اعتمادهم على الميزات الهيكلية يوفر فهمًا إضافيًا لـ SOT في الأغشية الرقيقة قيد الدراسة.
كمثال ، يقترح العلماء النظر في تغير التشوه في كثافة الحالات d yz في الطبقة المغناطيسية مقارنة بالحالة مع التناظر الدوراني رباعي أضعاف ( 4 د ).
في حين أن كثافة الحالات ↓ * على مستوى فيرمي مستقلة عمليًا عن تشوه الشد ، فإن الحالات clearly تُعاد توزيعها بوضوح. كما يظهر الاستقطاب المداري عند 4e ، فإن هذا التأثير يرجع إلى التغيرات الواضحة التي تسيطر عليها in في الاستقطاب d yz حول النقطة X ، والتي ترتبط بالتغيرات في الموصلية DL ( 4C ).
قناة الدوران * - أحد اتجاه اتجاه الدوران (لأعلى أو لأسفل).باستخدام البيانات التي تم الحصول عليها من حسابات البنية الإلكترونية ، وجد العلماء أن الطبيعة المختلفة للميزات المرصودة تجريبًا لحظات FL و DL تنبع من التغيرات الفريدة في الاستقطاب المداري للحالات الإلكترونية بسبب التشوهات الشبكية.
يشير الحرف السفلي s = ↑ ، ↓ إلى حالة دوران الإلكترونات في مغناطيسات الحديد: ↑ هو النطاق الفرعي للدوران لغالبية الإلكترونات ، ↓ هو النطاق الفرعي للدوران لأقلية الإلكترونات. بالإضافة إلى ذلك ، يشير الرمز المنخفض s = ↑ ، ↓ إلى حالة دوران الإلكترون في قنوات توصيل الدوران.
للحصول على معرفة أكثر تفصيلاً بالفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصيك بالنظر في تقرير العلماء .
الخاتمة
وفقًا لمؤلفي العمل ، بالإضافة إلى الكشف عن الدور الرئيسي للحالات المختلطة في واجهة FM-HM ، تقدم نتائج الدراسة مخططًا واضحًا لظواهر مدار تدور من صنع الإنسان. باستخدام التفاعلات المعقدة للمغناطيسية الدورانية والمغناطيسية ، والاقتران والتناظر في مدار السبين ، يمكن للمرء أن يتكيف مع قيمة SOT في الأجهزة متعددة الطبقات ، مما يخلق الاستقطاب المداري للحالات القريبة من طاقة Fermi فيما يتعلق بالسلالة.
من الجدير بالذكر أيضًا أن هذه الدراسة توسع إمكانات الهندسة في مجال تصميم الأجهزة مع ضبط SOT الديناميكي في أنظمة متعددة الطبقات الممغنطة بشكل عمودي باستخدام الجهد الكهربائي المتحكم به (ميكانيكيًا).
يرجع هذا البيان الصاخب إلى حقيقة أنه يمكن توليد التشوه محليًا وفرضه على أجزاء مختارة من منطقة التبديل. لذلك ، من الممكن تعديل الكثافة الحالية بحيث يمكن أن تدور دوران DL في وقت واحد التحكم في اتجاه المغنطة في المناطق ذات الجهد ، ولكن لا تؤثر على المناطق التي لا تحتوي على جهد. يمكن بعد ذلك تعديل المناطق المحددة عند الطلب باستخدام تكوين مجال كهربائي مختلف ، مما يوفر مستوى إضافيًا من التحكم.
كل هذا يعني أنه بمساعدة دوائر تشوه محددة لمناطق التبديل عن طريق المجالات الكهربائية ، يمكن إنشاء خلية ذاكرة متعددة المستويات موفرة للطاقة.
أدى تطبيق التشوه إلى البنية التي تم فحصها W = CoFeB = MgO خلال التجارب إلى تغييرات مختلفة بشكل واضح في لفات FL و DL. علاوة على ذلك ، كما يلاحظ العلماء ، يمكن مضاعفة دوران DL إذا تم تطبيق تشوه الشد بالتوازي مع التدفق الحالي.
وبعبارة أخرى ، من الممكن الحصول على تحكم مباشر في خصائص عملية التحويل المغناطيسي عن طريق تعديل المجال الكهربائي الذي يعمل على البلورة الكهروإجهادية. هذا يؤدي إلى انخفاض كبير في استهلاك الطاقة ، ويجعل من الممكن إنشاء هياكل معقدة لتخزين المعلومات.
في المستقبل ، يخطط العلماء لمواصلة كل من التجارب العملية والحسابات ذات الصلة من أجل معرفة أين وكيف يمكن تحسين هذه العملية المعقدة. ومع ذلك ، على الرغم من تعقيد إنشاء مثل هذه الأنظمة ، فإن إمكاناتها كبيرة للغاية ، لأن تقليل استهلاك الطاقة لا يؤدي فقط إلى توفير لمقدمي خدمات تخزين المعلومات والمستهلكين ، بل يقلل أيضًا بشكل كبير من الضغط القوي بالفعل من قبل البشر على البيئة.
شكرا لاهتمامكم ، ابقوا فضوليين وأتمنى لكم أسبوع عمل جيد يا رفاق. :)
القليل من الدعاية
أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد مشاهدة محتوى أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية للأصدقاء ، VPS السحابي للمطورين من 4.99 دولارًا ، وهو نظير فريد لخوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 نوى) 10 جيجابايت DDR4 480 جيجابايت SSD 1 جيجابت في الثانية من $ 19 أو كيفية تقسيم الخادم بشكل صحيح؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وذاكرة DDR4 تصل إلى 40 جيجابايت).
Dell R730xd أرخص مرتين في مركز بيانات Equinix Tier IV في أمستردام؟ فقط لدينا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV من 199 دولارًا في هولندا!Dell R420 - 2x E5-2430 بسرعة 2.2 جيجاهرتز 6C وسعة 128 جيجابايت DDR3 2x960 جيجابايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - بدءًا من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الطبقة باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل بنس واحد؟