Forscher der Universität Tokio und von RIKEN CEMS haben einen nichtflüchtigen Speicher auf Basis des Antiferromagneten Mn₃Sn geschaffen. Das Bauelement zeigt eine Schaltzeit von 40 Pikosekunden, was 25-mal schneller ist als bei klassischer DRAM, und minimale Wärmeentwicklung.
Ein Physikerteam der UTokyo und des RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) stellte einen Prototyp einer Speichervorrichtung auf Basis der antiferromagnetischen Verbindung Mn₃Sn (Mangan-Zinn) vor. Der Schlüsselparameter des neuen Speicherelements ist die Schaltgeschwindigkeit der Zustände, die 40 Pikosekunden beträgt. Zum Vergleich: Die typische Latenzzeit von DRAM liegt im Bereich von 10 bis 20 Nanosekunden, was die vorgestellte Lösung um zwei Größenordnungen schneller macht.
Die Technologie basiert auf den Prinzipien der Spintronik und nutzt zusätzlich zur Ladung des Elektrons dessen Spin-Drehimpuls. Im Gegensatz zu verbreiteten Lösungen zeigt die neue Architektur Nichtflüchtigkeit: Die Daten bleiben nach dem Ausschalten der Spannung erhalten. Ein zusätzlicher Vorteil ist die hohe Beständigkeit gegen Überschreibungszyklen und der niedrige Energieverbrauch, der auf das Fehlen einer Joule-Erwärmung beim Schalten zurückzuführen ist.
Die Wissenschaftler bestätigten auch die Möglichkeit, Informationen mittels optischer Pulse über einen photoelektrischen Wandler zu schreiben. Diese Eigenschaft ermöglicht die Integration magnetischer Berechnungen mit optoelektronischen Schnittstellen und die Bildung hybrider Datenübertragungskanäle. Die Entwicklung erinnert an kommerzielle STT-MRAM-Muster, übertrifft diese jedoch in der Schaltgeschwindigkeit durch die Verwendung eines antiferromagnetischen Materials mit null Streufeld.
In diesem System ist die Wechselwirkung der Komponenten wie folgt organisiert. Ein spinpolarisierter Strom im Material Mn₃Sn erzeugt ein Spin-Orbit-Drehmoment, das eine Neuausrichtung der antiferromagnetischen Domänen in 40 ps bewirkt. Der photoelektrische Wandler wandelt einen Lichtimpuls in ein elektrisches Signal um, das den spinabhängigen Widerstand moduliert. Das Fehlen einer makroskopischen Magnetisierung in Mn₃Sn eliminiert die magnetische Wechselwirkung zwischen benachbarten Zellen und ermöglicht eine Skalierung der Speicherdichte ohne Übersprechen.
Die praktische Bedeutung des Ergebnisses wird weniger durch die Taktfrequenz als vielmehr durch die Möglichkeit bestimmt, nichtflüchtige Caches der nullten Ebene zu bauen. Da die Latenzzeit von 40 ps mit der logischer Transistoren vergleichbar ist, könnte die Von-Neumann-Architektur in Richtung der Überbrückung der Kluft zwischen Arbeitsspeicher und Prozessorregistern weiterentwickelt werden, was eine vollständige Überarbeitung der Datenkohärenzprotokolle erfordern würde.