19.11.2021

Wspólne badania naukowców z AGH i Uniwersytetu Tsinghua w Pekinie


Projekty z AGH otrzymały finansowe wsparcie w drugiej edycji międzynarodowego konkursu na polsko-chińskie przedsięwzięcia badawcze SHENG 2 organizowanego przez Narodowe Centrum Nauki.

Grant w wysokości 1 310 280 zł na projekt Kwantowe materiały do sterowania momentem siły pochodzącym od sprzężenia spin-orbita będzie realizowany wspólnie przez Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji i Akademickie Centrum Materiałów i Nanotechnologii (wniosek został złożony w tzw. konsorcjum wewnętrznym obu jednostek). Badania będą realizowane z naukowcami z Institute of Microelectronics z Tsinghua University w Pekinie. Kierownikiem chińskiego zespołu jest dr Tianxiang Nan.

Elektronika spinowa poza ładunkiem elektronu wykorzystuje również jego spin do przetwarzania i przechowywania informacji. Urządzenia pamięci magnetycznej sterowane prądem spinowym mogą być nieulotne, szybkie (zapisy i odczyty w skali ns), o dużej gęstości, kompatybilne z technologią CMOS i działać przy niskich napięciach zasilania. Wśród konkurencyjnych technologii przyszłych nieulotnych pamięci urządzenia magnetyczne mają również tę wyjątkową zaletę, że mogą mieć zasadniczo nieskończoną wytrzymałość, ponieważ podczas pracy zmienia się tylko kierunek magnesowania, podczas gdy atomy się nie poruszają. To czyni je atrakcyjnymi dla aplikacji pamięci wbudowanych, logiki pamięci i architektur obwodów zoptymalizowanych pod kątem uczenia maszynowego. Pozostałym wyzwaniem przy opracowywaniu pamięci magnetycznych i magnetycznej logiki nieulotnej jest podstawowy problem fizyki materii skondensowanej - zidentyfikowanie mechanizmu zdolnego do uzyskania wydajnej i niezawodnej kontroli elektrycznej wektora magnetyzacji. Obecnie stosowanym mechanizmem jest moment siły wywołany sprzężeniem spin-orbita. Pamięci magnetycznej o dostępie swobodnym z wykorzystujące efekt transferu spinowego momentu siły (STT-MRAM) są na tyle wydajne, że zostały z powodzeniem skomercjalizowane przez firmę Everspin w 2019 r. Jednak wydajność STT-MRAM ma fundamentalną granicę kwantową – moment siły nie może być większy niż pojedynczy moment pędu na jednostkę ładunku, co oznacza, że istniejące urządzenia nadal wymagają stosunkowo dużych gęstości prądu i energii. Duże prądy wymagają tranzystorów o powierzchni, tak że rozmiar tranzystora (a nie samej komórki pamięci magnetycznej) ogranicza osiągalną gęstość zapisu informacji.

Projekt ma na celu opracowanie technologii pamięci nieulotnej i logiki spintronicznej o ekstremalnie niskiej mocy i nieskończonej trwałości, poprzez badania eksperymentalne nowych materiałów i urządzeń kwantowych, które mogą znacznie zwiększyć wydajność przełączania magnetyzacji. Dzięki tym materiałom badane będą zjawiska fizyczne i nowe funkcjonalności urządzeń, które nie są możliwe w tradycyjnej spintronice bazującej w głównej mierze na metalach polikrystalicznych. Do badań wykorzystanych zostanie szereg materiałów hybrydowych, które będą zaprojektowane, zsyntetyzowane, wytworzone oraz zintegrowane z najnowocześniejszymi urządzeniami MRAM.

Głównym celem prac badawczych jest rozwinięcie dostępnych systemów materiałowych w celu maksymalizacji konwersji spin-ładunek, zaprojektowanie odpowiedniej symetrii polaryzacji prądu elektrycznego i spinowego oraz dynamicznego dostrajania zjawisk związanych ze sprzężeniem spinorbita. Jedną z hipotez badawczych jest stwierdzenie, że symetria materiałów kwantowych jest kluczem umożliwiającym wydajne i deterministyczne przełączanie magnetyzacji oraz wytworzone hybrydowe materiały kwantowe będą podstawą działania przyszłych urządzeń spintronicznych. Wyniki badania doprowadzą do lepszego zrozumienia podstawowych mechanizmów, za pomocą których sprzężenie spin-orbita może być wykorzystane do indukowania momentu siły, oraz jakie materiały można wykorzystać, aby zmaksymalizować efektywność tych procesów, a także umożliwią badanie innych, nowych możliwości lepszej kontroli właściwości magnetycznych cienkich warstw.

***

Spośród 18 wniosków zakwalifikowanych do finansowania AGH współrealizuje także projekt Inteligentne włókna na bazie naturalnych biopolimerów, który został złożony w konsorcjum UJ (Wydział Chemii) i AGH (Akademickie Centrum Materiałów i Nanotechnologii).

Międzynarodowy konkurs dwustronny SHENG 2 na polsko-chińskie projekty badawcze organizowany jest przez NCN we współpracy z chińską agencją National Natural Science Foundation of China, zgodnie z procedurą oceny równoległej. Oznacza to, że obie agencje przeprowadziły równoległą ocenę formalną i merytoryczną wniosków, a finansowanie otrzymały tylko te projekty, które uzyskały rekomendację NCN i NSFC. Ze względu na bardzo wysoki poziom naukowy na liście rankingowej znalazły się wyłącznie projekty uznane za najlepsze przez obydwie agencje.

Sfinansowane projekty będą realizowane w Polsce i w Chinach, a nad realizacją każdego projektu będzie czuwać dwóch kierowników: jeden po stronie chińskiej, drugi po stronie polskiej. Otrzymane środki będzie można przeznaczyć na wynagrodzenie dla zespołu badawczego, stypendia dla studentów lub doktorantów, zakup lub wytworzenie aparatury naukowo-badawczej oraz pokryć inne koszty związane z wydatkami niezbędnymi do realizacji polskiej części projektu badawczego.

W konkursie SHENG 2 wsparcie finansowe otrzymało 18 projektów. Wnioskodawcy mieli szansę pozyskać środki na badania w obszarze nauk o życiu i w wybranych dyscyplinach nauk ścisłych i technicznych oraz nauk społecznych. Łączny budżet przyznanych grantów na polską część badań wynosi prawie 28 mln zł.