INFORMATICA 4/1980 MEHURCNI POMNILNIKI - II. DEL J. ŠILC, B. MIHOVILpVlC, P. KOLBEZEN UDK;681.327.664.4 INSTITUT .^IOŽEF STEFAN", LJUBLJANA Clanek,'nas.seznanja z^n^katerimi: psnpvnimi, fizikalnimi značilnostmi magnetnih rnehurckov. Najprej 3pr'egovorimo o - pojavu-in.pogojih.stabilnostismagnetnega mehucčka. V_nadaljevanju pa govoriino o dinamiki raagnetnesa mehurčka (rrio- žriostih generiranja,,širjenjav zaznavanja in brisanja), ki zagotavlja, da postane magnetni mehurček nosilec osnov- ,. rie,.,eripbifcne,..informaci je.; Nenazadnje je podanih nekaj osnovnih lastnosti iu parametrov snovi (dolžina snovi s\ , kvaliteta (X.). v.katerih se .pojavljajo magnetni inehurčki. MACNETIC, BUBBLE MEMORIES - PART.2. In this paper some basic physical propertieb of magrtetic bubbles are repi esenLcd. .Eir;st,.we, talk. about. an. appearanoe and stability conditions of bubble. Next, Lhe operdtign of bubbl^ device ,ur h as pr;op.agation, generation, detection and annihilation is described. This propertle^ enable bits of mformaLiun are represented by raagnetic bubble. Finally, some elementary quality and material Pfiraniettrt> (such a lenght A and material quality 0) are given.. i < 1. UVOD . ' ••••" Ko je .A. H. Bobeck leta 1967 [lj uspel v nekaterih orto- ' feritih (npr. TmFeO.) tvoriti stabilne itolirahe cilin- dričrie doraene relativno majhnega premera ( 6'un)'in jih kontrolirano'premikati, 5O se bdprle rabžnosti razvoja '" novih nezbrisljivih rnasovnih pomnilnikov visokih gostot (> 10 bitov/cm ), ki pomnijo ihfomiacijo-s pornočjo- tefv •'•: oilindrionih domen (niagnetnih mehurokov). V težnji za po- veoan jem'gosto't!e so n"adai'jne raziskave jJOtekale v iska-j\': nju novih' sriovi; v kateriH^bi bilo hibgbče uštvariti' .sta- ' bilne"cl 1 ifidrične 'domene-1čim-raarijših »premerov,': tako,,da ••;• se danes uporabljajo viproizvodnji* mehurčnih pomnilnikovl; enoosni garneti redkih zemelj, v katerih je mogoče ustva- riti cilindrične domene'premeravO,5 do,,2u.m-.,;Te snovi karakterizirata dva zelo pomembna parametra. Prvi je t.i. karakteristična'rd61žina snovi';->/-\:-en.!L(l:2) in-drugi ;je • • : faktor kvalitete Q en. (15). Premer cilindrione domene je= preiRosorazmeren karakterištični dolžini snovi A in obratno aorazmeren kvaliteti Q, zato naj bo.A oira manj- 3l iri'Q ;večji od eha.: v.x-::r.v. r ,:;••-.:•,. .••;•. • •-••- 'H ••:.-.-::: 2. KAKO NASTANE MAGNETNI MEHURČEK? V'riekaterih"3'noveh "s6"mikrokristalna' območja (takoimeno- vane magnetne domene),- v, katerih^ so raedatomske sile do- i -.-. ;;.•.•••• • • • :- •- •• ••••' •• ^y • •• • ....•,.• ' volj močne, da so' atomski magnetki kljub termionemu gl- banju atomov urejeru v isto s>mei ,'cetudi ni /unanj^pa mi- gnetnega polja. Vsaka domena deluje kot nekakšen niagnet, ki je sestavl "jen IZ velikega stevila (10 do 10 ) maj- hnih, enako usrnerjemh magnetov. Magnetno polje po^amez- nih domeivje lzredno mdčno, gostota polja je1 okr;og'1 Tv. < Če se snov še ne nahaja,>v zunanjera magnetnem polju/ sai magnetm momenti posamezmh domeri1 povsem^neurejeno usnier- sraagnetna.i > V-i M f, <•<• jeni, tako, da je snov navzven^nemagnetna. Če iz knstala določene enoosno anizptropne antiferoma- gnetne (ortofenti1 redkih zeraelj) ali^feroma^netne (erio- osni garneti redkih iemelj) šnovi lzrežemo d|el kristal^ v obliki tankega filma tako, da je laž'pa ostmagnetenja pravokotna na lice filma, opazimo v filmu valovite proge, ki so alternirajoče magnetno polanzirane, bodisi v &me- ri lažje osi raagnetenja ali v obratm smeri (^llka la). Te vzorce je rapgoče s pompojo Faradayevega- efekta (v po- lariziraru svetlobi) opazovati, kot teinne ''ozir^oma ,svetle proge (slika 2a). V primeru,<< ko pi'priaotno pVečno mag-4- netno po) je (slika la, slika 2a). Je snov ,navzven,'nemag- 1) Vsak elektron v atomu> ima lastno vrtilno količino,',ki ni odvisna od gibanja elektrona ln se imenuje spin. Ker ae vrti tudi negativru na^boj elektroriav7/sklepaino, da so v notranjosti elektrona tokovne zaftke, torej,ima- elektron takoiraenovam spinski magnetni moment.^Pri nekaterih sncveh sa spini elektronov v atomu medise- boj ne kompenzirajo; atomi teh snovi imajo določen lastni magnetnt moment in se obnašajo kot majhni ma- gnetki. . 48 POLJA HB>o tiAJHNO PftECNO MA^NETNO POLJE 0' (7) Z odvajanjem enačbe (§) na r in ob upoštevanju (6) dobi- mo oziroma (8) (9) kjer je HM povprečna jakoot magnetostationega polja in H~ efektivna magnetna poljska jakost, ki jo prispeve energija stene oilindrične domene (slika 3). Miniraum bo dosežen le tedaj, ko bo poleg enačbe (9) izpolnjena tu- di neenaoba (7), ki jo lahko pišemo kot (10) dr Grafična rešitev enačbe (9) je prikazana na sliki 4. Enačbi (9) zadošoata rešitvi r_ in r , vendar je cilin- a D drlčna domena stabilna le pri premeru 2rfa, saj resitev r ne zadošoa neenačbi (10). a števanju (H) pisati tudi kot r ne zadošoa neenačbi (10). Enačbo (8) je mogooe ob upo- a h M, >=0 rs 3) »\ »M Slika 3. kjer je r\ znaollen pararaeter snovi, tako imenovana ka- rakteristiona dolžina snovi (raaterial length) in je Oe- finlrana kot (12) ™ '6 ' ~~^ Slika 1. Izraz (11) je potreben pogoj za nastop minimuma. Da bo minimum dosežen, mora veljati tudi (7)i kar lahko pišemo kot H* dF(a) dcx > 0 (13) Enačbi (11) in (13) sta potreben in zadosten pogoj za na- stop minimuma energije W, torej stabilne cilindrične do- raene. Na sliki 5 je prikazana odvisnost premera stabilne 50 300 domena premera 2r se nahaja v tankera filmu, ki ga posta- . vimo v ravnino x-y. Njena magnetizacija M3 je v smeri + z. Gradierit prečnega magnetnega polja A Hg je konstan- ten. Vrednost raagnetne poljske jakosti v točkah x in x + 2r je takšna, da je cilindrična domena še stabilna. Zaradi gradienta magnetne pol jske jakosti &H se pojavi sila, ki deluje na cilindrično domeno in zaradi katere se prične cilindrična domena preraikati v smeri + x osi s hitrostjo Slika 5. cilindrične domene od debeline filma h. Vidirao, da je minimalni stabilni premer magnetnega mehur- čka 2r sa 3,9 s\ pri debelini filma hQpt es 3,3-A • Da bo pri h t dosežen minimalni premer magnetnega mehur- čka 2r je potrebno prečno magnetno polje jakosti HD <* 0,3 Ma (slika 6). kjer je gibljivost cilindrične doroene v m /As in H 001 Dinamika. Do sedaj smo obravnavali obnašanje oilindrične dpmene v krajevno nespremenljivem prečnetn magnetnem pol- iu H_. Poglejmo sedaj kaj se zgodi, če je preono magnet- no polje krajevno spremenljivo H_ = Hg(x), torej 6e ob- staja gradient prečnega magnetnega polja, ki je različen od nič. Pritner prikazuje slika 7. Magnetna cilindrična koeroitivnost snovi v kateri se cilindrična domena pojav- lja. 1. SNOVI Snovi v katerih se pojavijo magnetni mehurčki uiorajo biti anizotropne v eni smeri, tako, da je lažja os magnetiza- cije pravokotna na lice filma (anizotropija v eni osi se lahko doseže pod posebnimi pogoji in ni nujno, da je to lastnost same snovi). Te snovi so ortoferiti redkih ze- melj, heksagonalni feriti, MnBi, enoosni garneti redkih zemelj, Gtl-Co, Gd-Co-Mo. Takšne snovi karakterizira po- leg karakteristične dolžine snovi A, ki je definirana z (12) in podaja razmerje med energijsko gostoto na eno- to površine stene cilindrične domene (5^ in raagnetosta- tično energijsko gostoto na enoto volumna, tudi takoime- novana kvaliteta snovi Q, ki je definirana z izrazom (15) in podaja razraerje raed anizotropnim poljem in saturacij- sko magnetizacijo. Q = (15) 2KU Hk je anizotropno polje v A/m, ki je enako Hk= pri tem je K, . To ao sin- tetične spojlne z isto kompleksno strukturo kot jo ima mineral garneta. Kljub uspehom pri rasti velikih monokri- stalov mešanih garnetov redkih zemelj in kasnejšemu re- zanju na plošoice, je bila njihova uporaba delno omeje- na, dokler ni bila razvita tehnlka epitaksialne rasti mo- nokristaličnih filmov. Današnja tehnologija v glavnem te- melji na epitaksialni rasti filmov mešanih garnetov in si- oer sta razviti dve metodi: nanašanje z naparevanjem in • epitaksija iz tekoče faze, od katerih je prevladala prav slednja. V tabeli 1 so nekatere lastnosti mešanih garne- 52 tnih filraov in kot vidirao je karakteristična dolžina sno- vi A. pri garnetih mnogo manjša.kot pri ortoferitih. 5. MAGNETNI MEHURČEK KOT NOSILEC INFORMACIJE Do sedaj opisane lastnosti magnetnega mehurčka nakazuje- jo možnost uporabe le-tega kot nosilca informacije, saj nam njegova prisotnost v nekem trenutku na določenem me- stu predstavlja logično "1", njegova odsotnost pa "o". Dinamične lastnosti magnetnega mehurčka, ki omogooajo njegovo časovno diskretno gibanje, nudijo možnost upora- be raagnetnega raehurčka pri oblikovanju logičnih funkcij (pomik, konjunkcija,...) kakor tudi za poranenje informa- cij. Pri gradnji mehurčnega pomnilnika je potrebno omogočiti naslednje operacije: - vpia informacije (generiranje in brisanje magnetnega mehurčka), - dostop do informacije (širjenje magnetnega mehuroka), - branje informacije (detektiranje magnetnega mehurčka). Sir.jen.je (propagation). Magnetni mehurček je mogoče pre- mikati s spreraenljivira prečnim raagnetnim poljem, kot je prikazano v poglavju 3. Za tvorjenje lokalnega gradienta prečnega magnetnega polja je bilo razvitih nekaj metod [3] , od katerih se danes uporablja izkljuono airjenje s pomočjo rotirajočega magnetnega polja (field - acoess), ki naj bi ga v bližnji prihodnosti nadomestilo širjenje 4) s tokora (eurrent - access). Oglejmo si najprej širjenje z rotirajočim poljem. Pri tej metodi tvorimo lokalni gradient preonega magnetnega po- lja AHg s pomočjo tankih permalojnih vzorcev (Ni-Fe), ki jih ustrezno magnetno polariziramo z rotirajooim mag- netnitn poljera jakosti HR, ki ga ustvarimo z dvema med se- boj pravokotnima tuljavioama (slika 8). Tipična vrednost rotirajočega magnetnega polja HR je 0,8 + 2,li kA/;n. suosrMT Rotirajoče magnetno polje namagneti permalojne vzorce, kl sedaj privlačijo ali odbijajo raagnetni mehurček, pač odvisho od polaritete (slika 9). Z ustrezno konfiguraci- jo permalojnih vzoroev se doseže, da 50 pozicije magne- tnih polov toono looirane in tako je z vsako rotacijo polja določena pozioija mehurčka. Oblike permalojnih vzorcev so zelo različne, razen T vzorcev, ki so se najprej pojavile, se danes uporabljajo še Y, X, TX, škarnice, itd... Pri vseh naštetih konfigu- racijah igra zelo pomembno vlogo medvzorona razdalja g, ki naj bo oim krajša (za T vzorce je g< '/3 d, za škar- nioe pa je g<2/3d, kjer je d sirina valovite proge v filmu, ko ta še ni v zunanjera magnetnera polju) in ki ae zagotavlja magnetno polarizacljo perraalojnih vzoroev. V težnji za povečevanjem gostote mehurčnih pomnilnikov pro- izvajalci manjšajo dimenzije (perioda p = 1,5 «• 5,5 d) permalojnih vzoroev, vendar morajo pri tem ohraniti eks- perimentalno določeno razmerje p : g, ki naj bo 8 : 1 do 16 : 1. Ker je manjšanje medvzorčne razdalje g tehno- loško omejeno, so s tem omejene tudi diraenzije propaga- oijskih vzorcev (perioda p), kakor tudi propagacijska frekvenoa f , ki je približno 250 kHz. Slika 8. 1) V Bell Telephone Laboratories 30 razvili veo variant te tehnologije, ki so opisane v [6] . Slika 9. Širjenje s tokom je nova tehnologija s katero dosegajo. propagacijske frekvenoe > lMHz in zelo visoke gostote 7 2 y> 10 bitov/cm . Velika prednost te tehnologije je, da za tvorjenje gradienta prečnega polja ne uporabljajo tul- javic, temveč posebno oblikovano prevodno (Al-Cu) plast, ki je nanešena s fotolitografskimi postopki na garnetni fi l.m. 53 Generaoija (generation) in brisanje (annihilation). Vpis novega podatka v mehurčni pomnilnik°pomeni generacijo no- vega raehurčka. V ta namen je bilo razvitih več postopkov generaoije. V tehnologiji, ki za širjenje magnetnega me- hurčka uporablja rotirajoče magnetno polje HR in permaloj- ne vzorce (trenutno najbolj uporabijana), sta izpopolnje- ni dve metodi generacije in sicer: - generacija s "kalitvijo" (seed domeins) in - generacija s tvorjenjen jedra (nueleate type). Generacijo s kalitvijo [3,7] opiširao na primeru T vzorcev (slika 10). Vzorec, ki je nosilec "kali" magnetne domene je obiikovan v obliki diska. Rotirajoče raagnetno polje Hn namagneti disk in s tem doloca položaj "kalne" domene " —» o na obodu diska (slika lOa). Zasuk polia, Hn za 90 v sme- H ri urinega kazalca povzroči, da se prvi propagacijski vzo- rec polarizira tako, da pritegne del "kalne".c!omene isli- ka 10 b). Pri zasuku pclja HR za nadaljnih 90°, je "kalna" domena razpeta med pozitivnima poloma diska in drugega propagacijskega vzoroa, da bi se ob naslednjem zasuku po- 1ja HR za 90 pod vplivom negativnega pola diska. pretr- gala (slika 10 d). To spontano generacijo je mogoče s spreminjanjem bodisi prečnega polja H ali rotirajočega polja H_ nadaorovati. Miniraalna vrednost polja HD po- H n trebna za generacijo novega raehurčka je večja kot za njegovo širjenje, kar pomeni, da pri ustreznem zmanjšanju polja H mehurčka ni mogoce generirati, možno pa ga je n premikati. Druga metoda, to je generacija s tvorjenjem jedra, je da- nes uporabljena skoraj pri vseh izvedbah mehurčkinih po- ranilnikov. Novo magnetno dorneno lahko ustvarimo z ustrez- no veliklm magnetnim poljem jakosti H, , ki je obratno us- rnerjeno od prečnega magnetnega polja H . Velikost polja • -* S) H_ za enoosno anizotropne snovl je podano z relacijo (17). 2/, 2/, (17) o HD o na- nešeni neposredno na garnetni film (slika 12). Jakost niag- netnega polja H je proporcionalna magneLni gostoti pola In lahko doseže jakost M.,/p> ^ar zadošča za nastatiek nove magnetne domene. Z odmikanjem permalojnega vzorca od gar- netne osnove, jakost polja Hr hitro pada (pri 12 ium od- daljenosti znaša le še 1/30 prvotne vrednosti), tako da novih domen ni veo mogooe generirati. Pennalojni vzorci ločeni od garneta s plastjo SiO^ služijo le za širjenje magnetnega rnehurčka. Generaclja 3 tvorjenjem jedra, ki združuje oba opisana postopka (tokovno iianko in permalojne vzorce) je pokaza- 54 ir-a i* i¥L i Slika 12. la najboljše rezultate in se danes najčešoe uporablja. c) d) Brisanje informaoije pomeni uničenje magnetnega mehurčka. To dosežemo pravzaprav na enak način, kot je izvedena ge- neracija s "kalitvijo" (slika 10), le da rotirajoče polje fll sučemo v nasprotni smeri. n Detekclja (detection). Detekcija magnetnega mehurčka, to je branje informacije, predstavlja razmeroma velik problem spričo ekstremno majhnih dimenzij in energije magnetne domene. Do sedaj so izpopolnili štiri metode: optična de- tekcija, detekcija na principu sprernembe magnetnega pre- toka, polprevodniški Hallov efekt in najbolj razširjena magnetorezistenčna detekcija. Optična detekcija izkorišča Faraday.ev efekt, kjer s po- močjo izvora polarizirane svetlobe naredimo magnetni me- hurček "viden", ter njegovo prisotnost na"dani'spominski lokaeiji detektiramo s fotodiodo. Druga metoda deluje na principu raerjenja spremembe raagne- tnega pretoka^ ki se pojavi pri premiku magnetnega mehur- čka preko detektorske zanke. Napetost, ki se inducira je zelo majhna (ssl ^>V), tako, da je' koristni signal zelo težko razbrati iz močnega šumnega ozadja. Magnetni mehurček je mogoče detektirati tudi s Hallovim elementom (polprevodniškim) preko katerega teče tok gos- tote j (slika 13 a). Zaradi spremembe magnetnega polja, ki nastane pri prehodu magnetnega mehurčka mimo detektor- ja, nastane sprememba električnega polja E... Npp. pri pre- n hodu magnetnega mehurčka (v TkFeO, ortoferitu) preko Ha- llovega elementa dimenzij 50x50x1,^m in tokovne gostote o j = 0,1 mA/ m se generira Hallova napetost 7 mV. Kot rečeno je najbolj razširjena raetoda z magnetnorezis- tenčnim detektorjem. Zakaj pravzaprav gre? Tu izkorišča- rao magnetorezistenčnost Hallovega elementa (feromagnetne- ga), to je odvisnost njegove speoifične upornosti y od velikosti magnetizaci je Ms, in kota $>, ki ga oklepata tokovna gostota j in vektor magnetizacije M . (slika 13b), ki jo pišemo kot Slika 13. Pri tem je fy specifična upornoati v primeru ko ni zunan- jega polja in M , vektor saturacijske magnetizaclje Hallo- vega elementa. Praktično je takšen detektor realiziran tako, kot prikazujeta sliki 13 c, kjer je Hallov element, to je perraalojni' trak, nanešen pod propagacijske vzoroe in slika 13 d, kjer že sam propagaoijski element (ustrez- no oblikovan) služi kot detektor. Vektor magnetizacije M , , ki sledi rotirajočemu magnetneinu polju Hp in s tera spreminja kot lMHz) skušajo pri Bellu nadomestiti tuljavici, ki ustvarjata rotirajo- če magnetno polje, s fotolitografskim nanašanjem prevod- nih plasti (ena ali dve) na garnetni film (širjenje s tokom - current access) [6J . A. H. Bobeck je dejal, da ne vidi razlogov, da ne bi s to novo tehnologijo dosegli propagacij;3kih frekvenc 20 MHz. 7. LITERATURA fll A.H.BOBECK: The Bell System Tech. Journal, Vol. 46, No. 8, pp. 1901 - 1925, Oct. 196? M S. CHIKAZUMI: Physio of Magnetism, J. Wiley & Sons, L ' 196M [3j A.H. BOBECK, E. DELLA TORRE: Magnetic Bubbles, Amsterdara, The Netherlands: North-Holl- and Publishitig, 1975 [i] A.H. BOBECK, R.F. FISCHER, A.J. PERNESKI, J.P. RE- . MEIKA & L.G. VAN UITERT.: IEEE Trans. on tegnetics, Vol. MAG-5, No. 3, PP- 514-553, Sept. 1969 [5] A.H. BOBECK, P.I. BONYHAR & J.E.GEUSIC: Proceedings pf the IEEE, Vol. 63, No. 8, pp. 1176- 1195, August 1975 [6] A.H. BOBECK, S.L. BLANK, A.D. BUTHERUS, F.J. CIAK & W. STRAUSS: The Bell System Tech. Journal. Vol. 58 No. 6, July - August 1979 [7] A.J. PERNESKl: IEEE Trans. on r-agnetics, Vol. MAG-5 No. 3, PP. 554-557, Sept. 1969 [8] S.V. AHAMED: The Bell System Tech. Journal, Vol. 51, No. 2, pp. 461-485, Feb. 1972 [9] D.C. MARKHAM: Electronic Engtneering, pp. 85-99, June 1979 [10] M.S. COHEN, H. CHANG: Proceedings of the IEEE, Vol. 63, No. 8, August 1975 [ll] S. BESENIČAR, D. KOLAR: IJS Delovno porooilo, DP-1936 Januar 1980