Аккумулятор без химических реакций и вечная флешка: что подарит нам спинтроника

Литий-ионные аккумуляторы установлены во многих гаджетах — они питают электромобили, электросамокаты и другую технику. У них есть один существенный минус: уже через 1000 циклов заряда-разряда ёмкость таких батарей существенно падает и их приходится менять. У этой проблемы есть решение — перейти с электроники на спинтронику. Разберёмся, чем интересна эта область науки и как развитие спинтронных технологий может изменить нашу технику.

Что такое спинтроника?

Чтобы понять суть спинтроники, нужно вспомнить, как работает обычная электроника. Вся современная техника — от смартфона до электрочайника — управляется электрическим зарядом. Это надёжный, но не самый эффективный способ: при движении заряженных частиц выделяется тепло (джоулев нагрев), а энергия тратится впустую.

Спинтроника предлагает иной подход. Кроме заряда у электрона есть ещё одно фундаментальное свойство — спин. Его можно условно представить как крошечный внутренний магнит, имеющий два направления — «вверх» или «вниз». Классическая электроника это свойство игнорирует, а спинтроника, наоборот, использует его для кодировки, обработки и хранения информации.

Перенос информации с заряда на спин даёт несколько ключевых преимуществ:

• Энергоэффективность. Управление спином требует меньше энергии, чем перемещение заряда.
• Скорость. Состояния спина могут переключаться гораздо быстрее, чем происходит зарядка или разрядка конденсаторов.
• Энергонезависимость. Спиновые состояния стабильны и сохраняются даже при отключении питания.
• Миниатюризация. Управлять спином можно на наноуровне, что позволяет создавать сверхплотные и компактные устройства.

История технологии началась ещё в 1988 году с открытия эффекта гигантского магнитосопротивления. Это явление, при котором сопротивление материала сильно меняется в зависимости от магнитного поля, легло в основу современных жёстких дисков и принесло его первооткрывателям, Альберту Ферту и Петеру Грюнбергу, Нобелевскую премию по физике в 2007 году.

© Alan Stonebraker/physics.aps.org / «Рамблер»

Сравнение механизмов перемещения зарядов в спинтронных и электронных устройствах

Аккумуляторы без химических реакций

Все существующие сегодня батареи, от литий-ионных до перспективных твердотельных, работают за счёт химических реакций. Это их фундаментальное ограничение: со временем материалы деградируют, ёмкость падает, а сами процессы зарядки и разрядки идут относительно медленно. Концепция «спиновых батарей» предлагает хранить энергию не в химических связях, а в ориентации спинов электронов в материале.

Заряжаются за секунды и служат десятилетия: какие аккумуляторы придут на смену литий-ионным

Как это работает?

В ферромагнитных материалах создаётся упорядоченная ориентация спинов — своего рода «спиновое поле». В этом состоянии запасается потенциальная энергия. Когда требуется разрядка, специальный импульс запускает каскадный коллапс этой структуры, что приводит к быстрому высвобождению энергии.

Преимущества спиновых батарей:

• Долговечность. Так как химические реакции отсутствуют, нет и деградации материалов, характерной для обычных аккумуляторов. Это открывает путь к созданию по-настоящему «вечных» накопителей энергии.
• Быстрота. Высвобождение энергии на основе спиновых каскадов может быть значительно быстрее медленных электрохимических процессов.
• Экологичность. Отказ от химических компонентов может существенно снизить вредное воздействие на окружающую среду.

Теоретические расчёты показывают, что плотность энергии таких батарей может достигать от 0,5 до 7 МДж/кг — в 10 раз больше показателей литий-ионных аккумуляторов (около 0,7 МДж/кг).

Хотя коммерческих образцов ещё нет, учёные уже создали лабораторный прототип «спиновой батареи» на основе топологических изоляторов. Это устройство смогло удерживать поляризацию спинов (то есть «заряд») в течение двух дней после отключения тока, причём при нулевом магнитном поле и умеренно низких температурах. Этот эксперимент доказал, что концепция жизнеспособна.

«Вечная» оперативная память

Если спиновые батареи — это пока будущее, то «вечные» накопители данных на основе спинтроники уже стали реальностью. Речь идёт о магниторезистивной оперативной памяти, или MRAM (Magnetoresistive RAM).

MRAM хранит биты информации не в виде электрического заряда, как обычная оперативная память (DRAM), а с помощью магнитных состояний. Каждая ячейка памяти состоит из двух ферромагнитных пластин, разделённых тонким изолятором. Намагниченность одной пластины зафиксирована, а другой — свободна и может меняться.

Если спины в обеих пластинах направлены в одну сторону (параллельны), сопротивление ячейки низкое. Это состояние считывается как логическая единица. Если спины направлены в разные стороны (антипараллельны), сопротивление высокое, что соответствует логическому нулю.

© Everspin

MRAM от компании Everspin

У MRAM есть несколько неоспоримых преимуществ перед традиционной «электронной» оперативкой:

• Энергонезависимость. Данные сохраняются даже при отключении питания, в отличие от DRAM. Это позволяет снизить энергопотребление до 99%.
• Высокое быстродействие. Время доступа к ячейкам MRAM составляет единицы наносекунд, что сопоставимо с DRAM и в тысячи раз быстрее флеш-памяти.
• Практически неограниченный ресурс. MRAM выдерживает огромное число циклов перезаписи (до 100 миллионов и более), в то время как ресурс флеш-памяти ограничен.

MRAM уже применяется в качестве сверхбыстрой энергонезависимой памяти в различных устройствах. Например, компания Everspin выпускает линейку nvNITRO — NVMe SSD-накопителей объёмом до 2 Гб, где в качестве энергонезависимой памяти используется STT-MRAM. А Samsung массово производит встроенные eMRAM-модули, которые интегрируются в микроконтроллеры, устройства интернета вещей и AI-модули.

Как производят микрочипы и нужно ли обращать внимание на нанометры в характеристиках

За пределами батарей и памяти

Потенциал спинтроники не ограничивается аккумуляторами и накопителями данных. Технология открывает двери для создания принципиально новых электронных устройств.

• Новые типы процессоров. Спинтронные транзисторы и логические элементы позволяют объединить хранение и обработку данных на одном чипе. Это может решить проблему «узкого места фон Неймана» — задержек, возникающих при передаче данных между процессором и памятью, — и привести к созданию более быстрых и энергоэффективных вычислительных систем.
• Квантовые вычисления. Спины электронов являются идеальными кандидатами на роль кубитов — базовых элементов квантовых компьютеров. Спинтроника предоставляет инструменты для управления этими квантовыми состояниями, что делает её одной из ключевых технологий для вычислительных парадигм следующего поколения.
• Высокоточные сенсоры. Способность спинтронных устройств улавливать мельчайшие изменения магнитных полей позволяет создавать сверхчувствительные датчики. Сферы применения огромны: от неинвазивной диагностики заболеваний (например, картирование сигналов мозга) и контроля качества продуктов до систем автопилотирования в автомобилях и робототехники.

Проблемы спинтроники

Несмотря на огромный потенциал, у спинтроники есть ряд проблем. Именно они ограничивают широкое распространение технологии. Перечислим основные:

1. Сложность управления спинами. Контролировать спины на наноуровне — чрезвычайно трудная задача. Необходимо научиться эффективно генерировать, передавать и считывать спиновые токи, сохраняя при этом однонаправленность спинов.
2. Поиск подходящих материалов. Для большинства применений нужны материалы, которые сохраняют стабильные спиновые свойства при комнатной температуре. Устройства, требующие криогенного охлаждения, слишком дороги и непрактичны для массового рынка. Стандартный материал, кобальт-железо-бор, уже достиг предела масштабирования. Однако прогресс есть: в недавних исследованиях учёные показали, что из сплава железо-палладий можно создавать устройства размером до 5 нанометров.
3. Масштабирование и стоимость. Производство спинтронных устройств требует сложных и дорогих материалов, а также высокоточных технологических процессов. Это делает их дороже традиционных полупроводниковых аналогов и, как следствие, ограничивает спрос.

Эти проблемы тесно взаимосвязаны. Успех в поиске новых материалов напрямую зависит от фундаментального понимания физики управления спинами. А это, в свою очередь, определяет возможности для инженерных решений и снижения стоимости производства.

Но путь технологии от лаборатории до массового рынка полон трудностей, связанных с управлением спинами, поиском материалов и высокой стоимостью. Однако успех MRAM и постоянные научные прорывы показывают, что эти препятствия преодолимы. Спинтроника обладает потенциалом не просто улучшить существующие технологии, а полностью преобразить ландшафт современной электроники, сделав её более мощной, эффективной и устойчивой.