Карты памяти в сегодняшних смартфонах превосходят по своей ёмкости жёсткие диски девяностых годов. Такой прогресс давно воспринимается как должное, но его развитие традиционным путём уже почти достигло предела. Для повышения плотности хранения данных требуется научиться оперировать отдельными молекулами. О впечатляющих успехах в этом направлении поведала на страницах Nature международная группа исследователей.

Под руководством научного коллектива лаборатории магнетизма имени Фрэнсиса Биттера (штат Массачусетс) впервые удалось стабильно изменять спиновое состояние отдельных молекул при температуре около 0 °С. «Компьютерра» писала ранее о достижениях других учёных. Однако все предыдущие наработки требовали охлаждения до сверхнизких температур.

Ячейка молекулярной памяти с одним активным электродом (изображение: Christine Daniloff / MIT)
Ячейка молекулярной памяти с одним активным электродом ((изображение: Christine Daniloff / MIT))

Большинство моделей спинтронной ячейки памяти предполагало размещение молекул с заданными свойствами между парой микроэлектродов из ферромагнитного материала. Такие электроды обладали спиновой упорядоченностью носителей заряда и служили источником спин-поляризованных электронов.

Для уверенной регистрации изменений сопротивления ячейки типичное количество слоёв в экспериментальных моделях было на уровне пяти – шести. Переориентация магнитных моментов в таком «сэндвиче» вызывает скачкообразное увеличение или уменьшение его электрической проводимости. Различная величина сопротивления молекулярной ячейки кодирует логическую единицу или ноль.

Более тщательные измерения показали наличие не одного, а двух следующих друг за этапов резкого повышения магнетосопротивления, что позволило предположить независимый характер влияния электродов. В следующей схеме второй ферромагнитный электрод был заменён на пассивный металлический. Вопреки прогнозам скептиков, такой «половинный сэндвич» оказался вполне работоспособным.

Диаграмма зависимости сопротивления молекулярной ячейки памяти от величины внешнего магнитного поля (изображение: Moodera group / MIT)
Диаграмма зависимости сопротивления молекулярной ячейки памяти от величины внешнего магнитного поля (изображение: Moodera group / MIT)

Физик Калифорнийского университета Цзин Ши (Jing Shi) считает, что группе удалось обнаружить новый тип магниторезистивного эффекта. Его детальное изучение ещё впереди, но уже сегодня он привёл к значительному упрощению архитектуры ячеек молекулярной памяти. Замена второго активного электрода на металлический снижает риск спонтанной переориентации магнитных моментов. Надёжность, временная стабильность и плотность расположения ячеек повысились в несколько раз.

Для дальнейшей оптимизации в Научно-исследовательском институте Калькутты были созданы плоские молекулы на основе феналена. В данном случае их можно рассматривать как фрагменты графена, содержащие атомы цинка. За счёт эффекта самоупорядочивания их легко ориентировать строго параллельно подложке и друг другу. Кроме того, теперь их достаточно размещать в два слоя.

Текущая схема характеризуется изменением проводимости в пределах 20 процентов, что пригодно для лабораторных экспериментов, но явно недостаточно для коммерческого применения. Сами разработчики воспринимают текущий вариант как доказательство концепции, но светлое будущее спинтроники уже не за горами.