Несмотря на то, что электроника на основе сверхпроводников способна значительно повлиять на электронную промышленность — например, сверхпроводящий компьютерный чип в тысячу раз быстрее, чем чип в ноутбуке, который я использую прямо сейчас — они не взлетели так, как ожидали некоторые исследователи. . Одной из причин может быть то, что сверхпроводящие микросхемы памяти просто недостаточно плотны; они могут хранить только до 16 килобит информации, по сравнению с несколькими гигабитами , доставляемыми другими чипами.
Но теперь группа ученых из Аугсбургского университета в Германии и Стэнфордского университета предприняла шаги, чтобы решить эту проблему. Они предложили концепцию сверхпроводящей памяти, в которой для хранения данных используется ферромагнитный материал.
«Мы значительно улучшили сверхпроводящую память, и мы надеемся, что наш дизайн может быть интегрирован в современные устройства в больших масштабах и работать на высоких скоростях», — сказал PhysOrg.com научный сотрудник, физик из Аугсбургского университета Йохен Маннхарт. .
Современные сверхпроводящие запоминающие устройства имеют несколько недостатков, но, возможно, самым распространенным из них является их большой размер. Это связано с тем, как эти устройства хранят данные: биты информации принимают форму основных единиц или «квантов» магнитного потока (поток является мерой силы и протяженности магнитного поля). Однако эти кванты потока занимают относительно большое пространство и хранятся в компонентах схемы, называемых сверхпроводящими квантовыми интерференционными устройствами (СКВИДами), которые должны быть большими, чтобы вместить их.
Маннхарт и его команда преодолели это ограничение по размеру, переосмыслив конструкцию ячейки памяти. Их концепция хранит данные, соединяя крошечные ферромагнитные «точки» с электронными компонентами, называемыми джозефсоновскими переходами — токопроводящими «бутербродами», образованными тонким слоем изолирующего материала между двумя сверхпроводящими слоями.
Чтобы записать биты данных в ячейку, ток, протекающий по «линии записи», создает магнитное поле, которое намагничивает точки. Направление магнитного поля каждой точки — к джозефсоновскому переходу или от него — определяет, будет ли точка соответствовать «0» или «1». Вынести такое решение является задачей перекрестка Джозефсона. Он делает это, добавляя свое собственное магнитное поле к фоновому магнитному полю, которое создается постоянным током, протекающим под ним. Поскольку сила результирующего поля зависит от направления поля точки, знание первого позволяет узнать второе.
Эта концепция памяти решает проблему размера, потому что размеры ферромагнитных точек и их расстояние от джозефсоновских контактов не мешают работе ячейки. Точки могут быть очень маленькими и располагаться очень близко к соединениям, и ячейка все равно будет функционировать должным образом.
Группа проверила свою концепцию, изготовив микросхему памяти из металлического ниобия (Nb). Чип состоит из нескольких массивов переходов Nb Джозефсона, по восемь переходов на массив. Каждый переход соединен с ферромагнитной точкой шириной 6 микрометров, длиной 9 микрометров и толщиной 600 нанометров. Есть много ферромагнитных материалов, которые могли бы работать, но для этого первого испытания группа выбрала соединение никеля и железа, широко известное как пермаллой.
«Наш анализ тестовой ячейки показал, что в ней реализована функция памяти — она может хранить данные», — сказал Маннхарт. «Эти первые ячейки показали некоторые проблемы, такие как большой ток записи, необходимый для намагничивания пермаллоя, но мы надеемся, что за счет оптимизации конструкции ячейки и материалов эти проблемы могут быть решены».
Об этой работе сообщается в онлайн-издании Applied Physics Letters от 19 октября 2006 г.
Теги: микроэлектроника
