Спосіб магнітного запису та зчитування інформації і магнітний спіновий носій інформації

Реферат: Спосіб магнітного запису та зчитування інформації і магнітний спіновий носій інформації належить до електроніки і може бути використаний в системах запису/зчитування та обробки інформації. Запис зчитування інформації здійснюється спіновим струмом за рахунок перемагнічуваня магнітного наношару в багатошаровому магнітному носії інформації, який побудований на основі трьох видів магнітних наношарів з різною коерцитивною силою, які виготовляються з магнітного матеріалу з високим ступенем спінової поляризації електронів провідності. Магнітні наношари розділені непровідними немагнітними нанопрошарками і кожен з магнітних наношарів виконаний в вигляді системи регулярних розділених між собою однакових m смужок, які одночасно служать електродами для запису і зчитування інформації. Технічним результатом є підвищення швидкості запису інформації та надійності роботи, а також розширення функціональних можливостей. UA 106260 C2 (12) UA 106260 C2 UA 106260 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Даний винахід належить до області інформатики та обчислювальної техніки і може використовуватись в системах запису та обробки інформації. Відомий оптичний голографічний спосіб запису інформації (див. патенти: US 4104499, US 4213193, US 5111445, US 5627664, US 8107344, РФ 2160471 G11B11/03), який включає в себе опромінення спеціально сформованим оптичною системою і модульованим з допомогою блока запису інформації двома пучками лазерного випромінювання носія інформації, який складається з підкладки і реєструючого шару, та створенні в цьому шарі двокоординатної картини змін (амплітудних, фазових), зчитування інформації однорідним лазерним пучком, реєстрацію двокоординатним фотоприймачем і обробку блоком зчитування. Основним недоліком голографічного способу запису інформації є те, що в ньому необхідно використовувати когерентне лазерне випромінювання і формувати два когерентні лазерні пучки, а також використовувати ефективний високошвидкісний, високороздільний двокоординатний просторовий модулятор і фотоприймач лазерного пучка, що значно обмежує швидкість запису інформації, збільшує габарити пристроїв, які на них базуються і зменшує надійність їх роботи. Відомий оптичний побітовий спосіб запису інформації (див. патенти: РФ 2161827 G11B7/00, 2160471 G11B11/03, РФ 2127915 G11B7/24), який включає в себе опромінення спеціально сфокусованим оптичною системою і модульованим з допомогою блока запису інформації одним пучком лазерного випромінювання, який складається з підкладки і реєструючого шару, створенні в реєструючому шарі в точці фокусування змін (амплітудних, фазових чи магнітних), зчитування інформації сфокусованим неперервним немодульованим лазерним пучком, реєстрацію фотоприймачем і обробку блоком зчитування, причому при записі і зчитуванні інформації сфокусований лазерний пучок механічно переміщається по носію інформації від однієї точки запису до другої по спеціальній доріжці запису. Основним недоліком такого способу запису інформації є те, що в ньому в необхідно використовувати складну оптичну систему фокусування на доріжку запису інформації, а також механічну систему транспортування дискових носіїв інформації. Все це обмежує швидкість запису інформації в даних способах, збільшує габарити пристроїв, які на них базуються і зменшує надійність їх роботи. Добре відомий також магнітний спосіб запису інформації (див. патенти US 7713591, US 6947235, US 7068452, US 7713591, US 8107194) який включає в себе створення змін магнітного стану в локальній (точковій) області магнітного носія інформації (зміна напрямку чи величини намагнічування), зчитування інформації за рахунок впливу магнітного стану локальної (точкової) області носія інформації на величину електричного сигналу зчитування, і обробку блоком зчитування, причому при запис і зчитування інформації здійснюється магнітною головкою, яка механічно переміщається відносно носія інформації від однієї точки запису до другої по заданій доріжці запису інформації. Найбільш близьким до нашого способу магнітного запису інформації є спосіб, описаний в патенті US 7068452, який ми вибрали як прототип. Цей спосіб також включає в себе створення змін магнітного стану в локальній (точковій) області магнітного носія інформації (зміна напрямку чи величини намагнічування), зчитування інформації за рахунок впливу магнітного стану локальної (точкової) області носія інформації на величину електричного сигналу зчитування, і обробку блоком зчитування, причому при запис і зчитування інформації здійснюється магнітною головкою, яка механічно переміщається відносно носія інформації від однієї точки запису до другої по заданій доріжці запису інформації, але в ньому використовується магнітний носій інформації з декількома магнітними шарами. Основним недоліком такого способу запису інформації є те, що в ньому використовується механічна система транспортування носіїв інформації і складна механічна система утримання магнітної головки на доріжці запису інформації. Це обмежує швидкість запису інформації, збільшує габарити пристроїв, які на них базуються і зменшує надійність даного способу запису. Відомий носій для магнітного запису інформації (див. патент US 7068452), який ми вибрали як прототип, який складається з підкладки і декількох магнітних шарів з різною коерцитивною силою. Запис і зчитування на такий магнітний носій проводиться з допомого магнітної головки з на основі вище описаного способу запису. Основним недоліком відомого носія інформації є те, для запису на нього необхідно використовувати механічну систему транспортування носія інформації і складну механічну систему утримання магнітної головки на доріжці запису. Це обмежує швидкість запису інформації, збільшує габарити пристроїв з таким носієм і зменшує надійність їх роботи. Технічною задачею, на розв'язання якої направлений даний винахід, є підвищення надійності роботи, розширення функціональних можливостей, ефективності і надійності відомого способу запису інформації, а також розширення функціональних можливостей, і 1 UA 106260 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 надійності відомого носія для запису інформації, зменшення його габаритів і підвищення надійності його роботи. Поставлена задача в даному винаході вирішується за рахунок того, що в даному винаході відсутні будь-які механічні системи транспортування носія інформації і магнітної головки записузчитування, а також відсутня і сама магнітна головка. Так заявлений спосіб магнітного запису інформації, який включає в себе запис інформації за рахунок створення змін магнітного стану в локальній (точковій) області магнітного носія інформації (зміна напрямку чи величини намагнічування), зчитування інформації за рахунок впливу магнітного стану локальної (точкової) області носія інформації на величину електричного сигналу зчитування і обробку блоком зчитування, який відрізняється тим, що запис інформації здійснюється спіновим струмом за рахунок перемагнічуваня низькокоерцитивного магнітного наношару в магнітному носії інформації з трьома різними магнітними наношарами двома висококоерцитивним і одним низькокоерцитивним, а зчитування інформації здійснюється за рахунок впливу магнітного стану цього низькокоерцитивного магнітного наношару на величину спінового струму, який проходить через нього в точці запису, причому при записі "1" спіновий струм інжектується в перемагнічуваний низькокоерцитивний наношар з першого найбільш висококоерцитивного магнітного наношару, а при записі "0" спіновий струм інжектується в перемагнічуваний низькокоерцитивний наношар з іншого високоерцитивного магнітного наношару з меншою коерцитивною силою, а зчитування інформації здійснюється диференціальним методом спіновим струмом з малою силою струму, при одночасній інжекції цього струму в низькокоерцитивний шар з обох висококоерцитивних магнітних наношарів, і всі магнітні наношари носія інформації мають перпендикулярну або площинну анізотропію і виготовляються з магнітного матеріалу з високим ступенем спінової поляризації електронів провідності, і намагнічуються до намагніченості насичення, причому перший і другий висококоерцитивні наношари намагнічуються в протилежних напрямках один до одного. Заявлений магнітний спіновий носій інформації, який складається з підкладки і багатьох магнітних шарів, розділених між собою непровідними немагнітними нанопрошарками, відрізняється тим, що складається з системи послідовно на нанесених трьох магнітних наношарів: висококоерцитивний - 1, низькокоерцитивний - 2, висококоерцитивний - 3, які мають перпендикулярну або площинну анізотропію і різну коерцитивну силу (Н 1>Н3>>Н2), і кожен з магнітних наношарів виконаний в вигляді системи регулярних розділених між собою однакових m смужок, які одночасно служать електродами для запису і зчитування інформації, і смужки в першому і третьому магнітному наношарах розміщені одна навпроти одної, а смужки в другому (низькокоерцитивному) магнітному наношарі орієнтовані перпендикулярно до смужок в першому і третьому наношарах, і перший та третій магнітні наношари намагнічені в протилежних напрямках до величини, близької до величини намагнічування насичення, і система послідовно на нанесених трьох магнітних будується по такій схемі: 1, 0, 2, 0, 3, 0, 2, 0, 1, 0, 2, 0, 3, 0, 2, 0, 1, 0, 2, 0, 3, 0, 2, 0, 1… і т. д., де 0 - непровідний немагнітний нанопрошарок. Принцип роботи даного способу запису інформації опишемо базуючись на схемі пристрою методом лазерної літографії формувались смужки шириною 2-3 мкм з проміжком між смужками близько 5 мкм (кресл.). Магнітний спіновий носій інформації складається з підкладки 1 (матеріал: скло, кварц, кремній і т.д.), на яку нанесений висококоерцитивний магнітний наношар 2 з перпендикулярною або площинною анізотропією з матеріалу з високою спіновою поляризацією електронів (плівки аморфних сплавів рідкісноземельних і перехідних металів типу TbFe, сплав заліза і кобальту, окисли Fе3O4, СrО2, половинні метали, див. роботу J. Cibert, J. Bobo, U. Lüders. Development of new materials for spintronics, Comptes Rendus Physique, vol. 6, pp. 977-996, 2005; I. Zuti´c, J. Fabian, and S. Das Sarma. Spintronics: Fundamentals and Applications, Rev. Mod. Phys., vol. 76, #2, pp. 323-410, 2004). Наношар 2 виконаний в виді системи розділених між собою m смужок товщиною декілька десятків нанометрів і шириною менше мікрона. На магнітний наношар 2 нанесений суцільний тонкий товщиною в декілька нанометрів нанопрошарок 3 з непровідного і немагнітного матеріалу (MgO, Рr6О11 див роботи: S. Yuasa and D.D. Djayaprawira, J. Phys. D: Appl. Phys., 40, R337 2007; Крупа Н.Н. Письма в ЖЕТФ, 87, 635, 2008; Крупа Н.Н. ЖТФ 81, 111, 2011). На цей нанопрошарок нанесений низькокоерцитивний магнітний наношар 4 з аналогічною як і наношар 2 перпендикулярною або площинною анізотропією і з матеріалу з високою спіновою поляризацією електронів, який відрізняється від наношару 2 лише тим, що за рахунок зміни концентрації складових його коерцитивна сила в декілька раз нижча ніж коерцитивна сила наношару 2. Наношар 4 також виконаний в вигляді системи розділених між собою l смужок товщиною декілька десятків нанометрів і шириною менше мікрона, але на відміну від наношару 2 ці смужки орієнтовані перпендикулярно до m смужок цього наношару. На магнітний наношар 4 нанесений аналогічний 2 UA 106260 C2 5 10 15 20 25 нанопрошарок 3, і на нього нанесений висококоерцитивний магнітний наношар 5 з аналогічною як і в наношару 2 характеристиками, який відрізняється від наношару 2 лише тим, що за рахунок зміни концентрації складових його коерцитивна сила нижча ніж коерцитивна сила наношару 2. Наношар 5 також виконаний в виді системи розділених між собою m смужок, які за геометричними параметрами і орієнтацією співпадають з m смужками наношару 2 і розміщені точно навпроти цих смужок. На магнітний наношар 5 нанесений нанопрошарок 3, і на нього нанесений низькокоерцитивний магнітний наношар 4, на який нанесений нанопрошарок 3, далі нанесений висококоерцитивний магнітний наношар 2 і т.д. Загальна кількість магнітних наношарів повинна бути такою, щоб перший і останній наношари були з високо коерцитивного матеріалу. Всі m смужок магнітних наношарів 3 і 5 і l смужок магнітних наношарів 2 електрично зв'язані з блоком запису-зчитування пристрою магнітного запису інформації на магнітний спіновий носій. Працює заявлений спосіб наступним чином. При записі "1" в ml-ту комірку пам'яті з блока запису-зчитування на m-ту смужку висококоерцитивного магнітного наношару 2 подається «-» імпульсу напруги запису, а «+» подається на l-ту смужку низькокоерцитивного магнітного наношару 4. Під дією спінового струму, який інжектується з наношару 2 в наношар 4 в наношарі 4 наводиться нерівноважний магнітний момент Ms=nss=nsB, який створює відповідно і нерівноважне магнітне поле Hs (див. роботи: J.С. Slonczewski, JMMM, 159, 1191, 1996; Крупа Н.Н. ЖЕТФ, 135, 981, 2009; Крупа Н.Н. ЖТФ, 81, 111, 2011). Коли величина перевищує поле анізотропії наношару 2 Hs>Ha, цей наношар намагнічується, і напрям його намагніченості співпадає з напрямом намагніченості наношару 2. Так в ml-ту комірку пам'яті записується записі "1". При записі "0" в ml-ту комірку пам'яті «-» імпульсу напруги запису подається на m-ту смужку висококоерцитивного наношару 5, а «+» подається на l-ту смужку магнітного наношару 4 і тепер під дією спінового струму низькокоерцитивний наношар 4 тепер намагнічується в напрямі намагніченості наношару 5. Величину струму, яку потрібно пропустити через контакт 2-4 або 5-4, щоб отримати перемагнічування наношару 4 в точці запису, можна оцінити за виразом Hs  30 35 40 45 50 55  Ms  40  H 4 0S ehe JA sB , JA  a ,  sB 40S ehe де Ja і Se - сила струму площа контакту; h - товщина наношару 4; e і s - заряд електрона і час релаксації спінової поляризації в наношарі 4;  і 0 - магнітна проникність наношару 4 і абсолютна магнітна проникність; 10 A/м, яке набагато перевищує поля анізотропії більшості магнітних плівок. При зчитуванні інформації з блока запису-зчитування «-» імпульсу напруги зчитування з амплітудою, набагато меншою від амплітуди імпульсу запису, одночасно подається на m-ті смужки висококоерцитивних магнітних наношарів 2 і 5, а «+» подається на l-ту смужку низькокоерцитивного магнітного наношару 4. В залежності від того, яка інформація записана в ml-тій комірці пам'яті "0" чи "1", низькокоерцитивний наношар 4 в цій комірці намагнічений в напрямі намагніченості наношару 5 чи 2. Тому провідність між шарами 2-4 і між шарами 5-4 для цієї комірки буде різна (див. роботи: Julliere M, Phys. Letter. 54А, 225 1975; S. Yuasa and D.D. Djayaprawira, J. Phys. D: Appl. Phys., 40, R337 2007). В результаті в блоці запису зчитування ми будемо мати для різниці сигналів U25=U24-U54 при зчитуванні "1" U25>0 і при зчитуванні "0" U25