способ и устройство для запоминания данных с использованием спин-поляризованных электронов

Формула изобретения

1. Устройство для запоминания данных, содержащее элемент, включающий магнитный материал, средство для генерирования пучка электронов, способного направляться на один из множества участков элемента, средство, реагирующее на адресный сигнал, для направления пучка на участок элемента, соответствующий адресному сигналу, и средство, реагирующее на адресный сигнал, для определения поляризации участка элемента, соответствующего адресному сигналу, путем направления пучка на этот участок, отличающееся тем, что пучок электронов имеет общую магнитную поляризацию в первом или втором направлениях, при этом устройство снабжено средством для управления длиной волны электронов в пучке так, что при записи информации участок элемента приобретает магнитную поляризацию, соответствующую магнитной поляризации электронов в пучке, а при воспроизведении информации не происходит изменений в магнитных полях, созданных при записи.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что элемент, включающий магнитный материал, содержит подложку и множество атомных слоев магнитного материала на ней, причем фиксированное количество атомных слоев имеет магнитную анизотропию с осью легкого намагничивания, перпендикулярной поверхности подложки.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что слои содержат железо, расположенное в объемно-центрированной тетрагональной решетке, имеющей среднюю толщину в три слоя атомов.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что элемент содержит по меньшей мере один металл, выбранный из трех групп переходных элементов Периодической системы элементов.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что элемент содержит по меньшей мере один металл, выбранный из группы металлов Co, Ni, Ir и Mo.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что элемент дополнительно содержит зону выравнивания.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что зона выравнивания содержит электропроводный материал, электрически изолированный от слоев.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что элемент выполнен с плоской поверхностью.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пространство между элементом и средством генерирования пучка представляет собой неэлектропроводную среду.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство определения поляризации участка элемента включает средство для определения одного из двух: отклонения пучка, если направление поляризации участка противоположно направлению поляризации пучка, или притяжения пучка, если направление поляризации участка такое же, как и направление поляризации пучка.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство определения поляризации участка элемента содержит средство для направления пучка на участок для получения вторичных электронов, имеющих первую характеристику, когда направление поляризации участка противоположно направлению поляризации пучка, или имеющих вторую характеристику, когда направление поляризации участка такое же, как и направление поляризации пучка, и средство для определения первой или второй характеристики вторичных электронов.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что средство для определения первой или второй характеристики вторичных электронов выполнено в виде средства для определения по меньшей мере одного из двух: энергии и спина вторичных электронов.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство определения поляризации включает электропроводный материал, предназначенный для определения отклонения электронного пучка.

14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство определения поляризации включает электропроводный материал, предназначенный для выявления вторичных электронов.

15. Способ запоминания данных для системы, содержащей элемент, включающий магнитный материал, и средство для генерирования пучка электронов, способного направляться на один из множества участков элемента, заключающийся в том, что принимают адресный сигнал, направляют пучок электронов на участок элемента, соответствующий адресному сигналу, отличающийся тем, что пучок электронов генерируют с общей магнитной поляризацией в первом или втором направлениях, при этом управляют длиной волны электронов в пучке так, что участок элемента приобретает магнитную поляризацию, соответствующую магнитной поляризации электронов в пучке.

16. Способ запоминания данных для системы, содержащей элемент, включающий магнитный материал, средство для генерирования пучка электронов, способного направляться на один из множества участков элемента, и средство для определения поляризации участка элемента путем направления пучка электронов на участок, заключающийся в том, что принимают адресный сигнал, направляют пучок электронов на участок элемента, соответствующий адресному сигналу, отличающийся тем, что пучок электронов генерируют с общей магнитной поляризацией в первом или втором направлении, при этом управляют длиной волны электронов в пучке так, что при записи участок элемента приобретает магнитную поляризацию, соответствующую магнитной поляризации электронов в пучке, а при воспроизведении информации не происходит изменений в магнитных полях, созданных при записи.

17. Способ запоминания данных, представленных направлением поляризации в магнитном материале, отличающийся тем, что получают спин-поляризованный электрон, имеющий собственное магнитное поле, направление поляризации которого соответствует либо первому, либо второму значению, при этом электрон имеет длину волны, характерную для неспаренных электронов, что вызывает магнитный момент магнитного материала, и направляют спин-поляризованный электрон через неэлектропроводную среду на участок магнитного материала для придания направления поляризации магнитного поля электрона участку.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области хранения и извлечения данных, а более точно - к носителю для запоминания данных и способу и устройству для запоминания данных на носителе и считывания записанных данных с носителя.

С каждым годом возрастает потребность в высокоскоростных запоминающих устройствах большой емкости. С переходом от аналоговых систем к цифровым и растущей скорости обработки данных, демонстрируемой современной процессорной технологией, возможности быстрого доступа к большим объемам данных отстают от потребностей. Это особенно актуально в научных исследованиях, связанных с моделированием и машинной имитацией, а также в потребительской сфере в связи с распространением телевидения высокой четкости (HDTV), видеомагнитофонов HDTV, компакт-дисков, персональных электронных помощников (PDA), персональных помощников для обеспечения связи (PCA), цифровых магнитофонов и даже для автомобилей. Кроме того, компьютерные системы, средства мультимедиа и связи вот-вот ошеломят потребителей такими новинками, как виртуальная реальность, интерактивное телевидение, системы распознавания речи (обмен информацией с голоса), системы распознавания текстов, написанных от руки, и интегрированные системами связи и рекламы, причем для каждой из таких систем понадобятся высокоскоростные запоминающие устройства большой емкости.

Применение известных технологий литографии и совершенных технологических процессов дает ощутимый прогресс. И этот прогресс увеличивает разрыв между растущей скоростью процессоров и их способностью эффективно использовать необходимые объемы данных.

Таким образом, целью настоящего изобретения является создание носителя для запоминания данных и способа и устройства для запоминания данных на носителе и считывания данных с носителя, что позволит исключить ограничения и недостатки известных систем.

Поставленная цель достигается тем, что запоминающее устройство содержит элемент, включающий магнитный материал, средство для генерирования пучка электронов, имеющих общую магнитную поляризацию в одном из направлений первом или втором, причем пучок направляется на один из множества участков элемента, средство, реагирующее на адресный сигнал, для направления пучка электронов на тот участок элемента, который соответствует адресному сигналу и для управления длиной электронной волны в пучке, чтобы участок элемента приобретал магнитную поляризацию, соответствующую магнитной поляризации электронов в пучке, и средство, реагирующее на адресный сигнал, для определения поляризации участка элемента, соответствующего адресному сигналу, путем направления пучка на этот участок.

Согласно другому аспекту изобретения предлагается способ функционирования системы, включающей элемент, имеющий магнитный материал, и средство для генерирования пучка электронов, причем электроны в пучке имеют общую магнитную поляризацию в одном из направлений первом или втором для направления пучка на один из множества участков элемента, способ заключается в том, что принимают адресный сигнал, направляют пучок на участок элемента, соответствующий адресному сигналу, и управляют длиной электронной волны в пучке таким образом, что участок элемента приобретает магнитную поляризацию, соответствующую магнитной поляризации электронов в пучке.

Согласно еще одному аспекту изобретения предлагается способ функционирования системы, включающей элемент, имеющий магнитный материал, и средство для генерирования пучка электронов, причем электроны в пучке имеют общую магнитную поляризацию в одном из направлений первом или втором, для направления пучка на один из множества участков элемента, способ заключается в том, что принимают адресный сигнал, направляют пучок на участок элемента, соответствующий адресному сигналу, и управляют длиной электронной волны в пучке таким образом, что участок элемента приобретает магнитную поляризацию, соответствующую магнитной поляризации электронов в пучке, а затем определяют поляризацию участка элемента, соответствующего адресному сигналу, путем направления пучка на этот участок.

Согласно еще одному аспекту изобретения предлагается способ запоминания данных путем изменения направления поляризации в магнитном материале, который заключается в том, что получают спин-поляризованные электроны, имеющие магнитное поле, причем магнитное поле электронов имеет направление поляризации, соответствующее одному из значений данных первому или второму, при этом электрон имеет спектральную характеристику неспаренных электронов, что создает магнитный момент магнитного материала, и направляют спинполяризованный электрон через неэлектропроводную среду на участок магнитного материала для задания направления поляризации магнитного поля электрона на этом участке.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительного варианта воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг. 1 изображает поперечное сечение устройства для запоминания и поиска для извлечения данных, согласно изобретению;

фиг. 2 - вид сверху на стигматор для использования устройства для запоминания и поиска для извлечения данных, согласно изобретению;

фиг. 3a, 3b - поперечные сечения носителя для запоминания данных (частичный вырыв), согласно изобретению;

фиг. 4a - носитель для запоминания данных (вид сверху), согласно изобретению;

фиг. 4b - разрез по линии IVb-IVb на фиг. 4a, согласно изобретению;

фиг. 5a, 5b - носитель для запоминания данных при выполнении операции запоминания данных (поперечное сечение, частичный вырыв), согласно изобретению;

фиг. 6a, 6b - носитель для запоминания данных при выполнении первой операции считывания данных (поперечное сечение, частичный вырыв), согласно изобретению;

фиг. 7a, 7b - носитель для запоминания данных при выполнении второй операции считывания данных (поперечное сечение, частичный вырыв), согласно изобретению;

фиг. 8 - устройство для запоминания и поиска для извлечения данных при выполнении операции выравнивания (поперечное сечение), согласно изобретению;

фиг. 9 - устройство для запоминания и извлечения данных при выполнении операции гашения/отстоя (поперечное сечение), согласно изобретению;

фиг. 10 - устройство для эмиссии электронов (поперечный разрез), согласно изобретению;

фиг. 11 - разрез по линии XI-XI на фиг. 10, согласно изобретению;

фиг. 12 - устройство для эмиссии электронов, вид снизу, согласно изобретению;

фиг. 13 - схема альтернативного варианта воплощения изобретения.

Устройство для запоминания и поиска для извлечения данных содержит блок управления 1 (фиг. 1), источник спин-поляризованных электронов 40, имеющий наконечник 2b, экстрактор 4, коллиматоры 6, 7, и 9, электростатические линзы 10, 11 и 12 и изолирующие элементы 5 и 8. Устройство для запоминания и поиска для извлечения данных также содержит гаситель 13, грубый и точный дефлекторы 14 и 15 соответственно, электронный детектор 16, слой для запоминания данных 17 и подложку 18.

Блок управления 1 содержит микропроцессор или какую-либо другую известную схему управления. Блок управления 1 координирует работу и обеспечивает последовательное выполнение различных функций и операций, выполняемых устройством запоминания и извлечения данных, как будет более подробно объяснено ниже. Блок управления кроме того обеспечивает взаимосвязь устройства запоминания и поиска для извлечения данных с внешним устройством (не показано), например, компьютером или каким-либо другим устройством для запоминания и поиска для извлечения данных, через терминалы ADRESS IN (ввод адреса), DATA IN (ввод данных) и DATA OUT (вывод данных). В результате такой взаимосвязи сигналы управления и данные могут быть переданы от внешнего устройства и декодированы блоком управления 1 с использованием необходимых протоколов. Блок управления 1 может формировать ответные управляющие сигналы и данные и передавать данные обратно на внешнее устройство с использованием необходимых протоколов. Предполагается, что блок управления 1 может быть связан с внешним устройством, например, по электрическим или оптическим каналам. Например, оптическая передача в и из блока управления 1 может быть выполнена с использованием лазерных диодов с электрической накачкой.

Источник спин-поляризованных электронов 40, содержащий наконечник 2b, обеспечивает спин-поляризованные электроны 3. В частности, спин-поляризованные электроны 3 создаются источником спин-поляризованных электронов 40 и собираются в наконечнике 2b. Наконечник 2b представляет собой модулированный самополяризующийся заостренный наконечник для эмиссии электронов малой энергии, как это более подробно описано ниже.

Каждый спин-поляризованный электрон 3 имеет магнитное поле, направление которого определяется спином электрона. Направление поляризации магнитного поля электрона соответствует одному из двух значений данных: первому или второму. Например, магнитное поле электрона, поляризованное вверх, может соответствовать значению "1", в то время как магнитное поле электрона, поляризованное вниз, может соответствовать значению "0", или наоборот.

Напряжение V₁ подается на источник спин-поляризованных электронов 40 блоком управления 1. Уровень напряжения V₁ может изменяться блоком управления 1 для управления интенсивностью и током спин-поляризованных электронов 3. На источник спин-поляризованных электронов 40 из блока управления 1 подается также сигнал S₁₉. Сигнал S₁₉ управляет направлением поляризации магнитных полей спин-поляризованных электронов 3. Предпочтительно, чтобы при работе устройства блок управления 1 мог изменять напряжение V₁ и сигнал S₁₉ для компенсации физических изменений, возникающих со временем в устройстве и окружающей среде.

Экстрактор 4, коллиматоры 6, 7 и 9, электростатические линзы 10-12, гаситель 13 и грубый и точный микродефлекторы 14 и 15 соответственно образуют вместе электропроводный кольцеобразный элемент, определяющий апертуру устройства. Экстрактор 4 выводит спин-поляризованные электроны 3 из наконечника 2b, а коллиматоры 6, 7 и 9 собирают спин-поляризованные электроны 3 в пучок спин-поляризованных электронов 19. Электростатические линзы 10-12 фокусируют пучок спин-поляризованных электронов 19, грубый и точный микродефлекторы 14 и 15 соответственно направляют пучок спин-поляризованных электронов 19 на слой для запоминания данных 17.

Предпочтительно, чтобы среда, через которую проходит пучок спин-поляризованных электронов 19, представляла собой неэлектропроводную и неионизированную среду, например вакуум. Однако, предполагается, что в качестве среды, через которую проходит пучок спин-поляризованных электронов 19, может быть использована любая из известных сред, которая не ухудшает, а усиливает прохождение пучка спин-поляризованных электронов 19 от источника электронов 2 к носителю для запоминания данных 17.

Наконечник 2b расположен перпендикулярно плоскости поверхности экстрактора 4 по центру апертуры экстрактора 4 и соприкасается или располагается рядом с поверхностью экстрактора 4. Предпочтительно, чтобы апертуры экстрактора 4 и коллиматора 6 составляли в диаметре порядка 1 микрона и 100 микрон соответственно. Однако, можно использовать как большие, так и меньшие диаметры в зависимости от конкретной конструкции устройства для запоминания и извлечения данных и требуемых характеристик пучка спин-поляризованных электронов 19.

Изолирующий элемент 5, который содержит, например, Si или т.п., располагается между экстрактором 4 и коллиматором 6 для разделения их проводящих поверхностей. Предпочтительно, чтобы диаметр апертуры изолирующего элемента 5 был чуть больше, чем диаметры апертур экстрактора 4 и коллиматора 6, чтобы уменьшить взаимодействие изолирующего элемента 5 с наводимыми электростатическими полями и электронами, проходящими через апертуры экстрактора 4 и коллиматора 6.

Для создания магнитного поля в апертурах экстрактора 4 и коллиматора 6 на них из блока управления 1 подаются напряжения V₂ и V₃ соответственно. Расположение наконечника 2b по отношению к электростатическому полю, наводимому в апертуре экстрактора 4, обеспечивает прохождение спин-поляризованных электронов от наконечника 2b через апертуру экстрактора 4 к апертуре коллиматора 6. Коллиматор 6 фокусирует электроны в относительно параллельные траектории по направлению к слою для запоминания данных.

Коллиматоры 7 и 9 и изолирующий элемент 8, которые могут быть похожими или идентичными с экстрактором 4, коллиматором 6 и изолирующим элементом 5 соответственно, образуют дополнительный набор линз, помогающий собирать спин-поляризованные электроны 3 в пучок спин-поляризованных электронов 19. Коллиматоры 7 и 9 и изолирующий элемент 8 можно также использовать для ускорения или замедления спин-поляризованных электронов 3, чтобы получить требуемую энергию пучка.

Для получения требуемых характеристик спин-поляризованных электронов 3 и пучка спин-поляризованных электронов 19 напряжения V₂-V₅ могут регулироваться блоком управления 1. Управление напряжениями V₂-V₅ может производиться во время работы устройства, чтобы компенсировать физические изменения, возникающие со временем в устройстве и окружающей среде.

После прохождения через коллиматор 9 пучок спин-поляризованных электронов 19 проходит через электростатические линзы 10-12. Для создания электростатических полей в апертурах линз на электростатические линзы 10-12 из блока управления 1 подаются напряжения V₆-V₈. Эти электростатические поля фокусируют пучок спин-поляризованных электронов 19 до требуемого диаметра, например, от 1 до 25 нм. Предпочтительно, чтобы апертуры электростатических линз 10-12 мкм составляли в диаметре порядка 10-100 мкм, но они могут изменяться в зависимости от конкретной конструкции устройства для запоминания и извлечения данных и требуемых характеристик, например, интенсивности, формы и т.п. пучка спин-поляризованных электронов 19. Кроме того, для получения требуемых характеристик пучка спин-поляризованных электронов 19 можно изменять толщину электростатических линз 1-12, их относительные положения и напряжения V₆-V₈. Опять же для компенсации физических изменений, возникающих со временем в устройстве и окружающей среде, во время работы устройства блоком управления 1 могут быть изменены напряжения V₆-V₈. Кроме того количество электростатических линз 10-12 может быть уменьшено или увеличено. Также вместо или в качестве дополнения к электростатическим линзам 10-12, экстрактору и коллиматорам 6, 7 и 9 могут быть использованы магнитные линзы.

После прохождения через электростатическую линзу 12 пучок спин-поляризованных электронов 19 проходит через гаситель 13. Как подробнее объяснено ниже, гаситель 13 представляет собой дополнительный элемент, который блокирует действие пучка спин-поляризованных электронов 19. Гаситель 13 предпочтительно размещается над грубым микродефлектором 14, как показано, позволяя пучку спин-поляризованных электронов 19 достичь стационарного состояния.

После прохождения через гаситель 13 пучок спин-поляризованных электронов 19 проходит через грубый микродефлектор 14, а затем через точный микродефлектор 15. Предпочтительно, чтобы грубый микродефлектор 14 имел восемь полюсов, индивидуально управляемых сигналами S₂-S₉ которые подаются от блока управления 1. Подобным же образом точный микродефлектор 14 предпочтительно содержит восемь полюсов, индивидуально управляемых сигналами S₁₀-S₁₇, которые также подаются от блока управления 1. Грубый и точный микродефлекторы 14 и 15 соответственно направляют пучок спин-поляризованных электронов 19 на слой для запоминания данных 17. В то время как грубый микродефлектор 14 отклоняет траекторию пучка спин-поляризованных электронов 19 по направлению ко всей площади слоя для запоминания данных 17, точный микродефлектор 15 регулирует затем траекторию пучка спин-поляризованных электронов 19, направляя пучок спин-поляризованных электронов 19 в конкретную зону слоя для запоминания данных 17. Путем такого постепенного искривления пучка спин-поляризованных электронов 19 могут быть уменьшены дисторсии и аберрации, наводимые в пучке спин-поляризованных электронов 19. Предполагается, что точный микродефлектор 15 способен корректировать пучок спин-поляризованных электронов 19 на атомном уровне слоя для запоминания данных 17. Хотя было сказано, что грубый и точный микродефлекторы 14 и 15 соответственно содержат каждый восемь полюсов, предполагается, что эти микродефлекторы 14 и 15 могут иметь и другие известные конструкции. Кроме того, положения грубого и точного микродефлекторов 14 и 15 соответственно по отношению к слою для запоминания данных 17 могут быть определены в функции диапазона сканирования пучка спин-поляризованных электронов 19 по осям X-Y.

Устройство для запоминания и поиска для извлечения данных может, кроме того, содержать стигматор (на фиг. 1 не показан). Предпочтительно, чтобы стигматор располагался либо между электростатической линзой 12 и гасителем 13, либо между гасителем 13 и грубым микродефлектором 14. Стигматор (фиг. 2) содержит электропроводный материал, который создает электростатическое поле в апертуре, сформированной восемью стигматорами 25, индивидуально управляемыми напряжениями смещения V₁₂-V₁₉. Предполагается, что стигматор 25 может иметь и другие известные конструкции. Индивидуальные напряжения V₁₂-V₁₉ подаются на полюса стигматора 25 от блока управления 1 во время работы устройства для создания поля, которое создает требуемую форму пучка спин-поляризованных электронов 19 и компенсирует возникающие со временем физические изменения в устройстве для запоминания и извлечения данных и в окружающей среде. Хотя стигматор обычно используется для получения пучка спин-поляризованных электронов 19, имеющего поперечное сечение в виде круга, его можно также использовать для получения пучка спин-поляризованных электронов 19 с поперечным сечением другой формы, например овальной.

Электронный детектор 16 (фиг. 1) содержит электропроводный материал, например, металл, и имеет конструкцию для оптимизации выявления электронов, отклонившихся от слоя для хранения данных 17, или вторичных электронов, излучаемых этим слоем. Предпочтительно, чтобы электронный детектор 16 был расположен так, чтобы он не влиял на траекторию пучка спин-поляризованных электронов 19, но был расположен достаточно близко к слою для запоминания данных 17, чтобы обнаруживать отклонившиеся или эмитированные электроны. Электроны, бомбардирующие электронный детектор 16, формируют сигнал в электронном детекторе 16, который подается в блок управления 1 в виде сигнала S₁₈.

Слой для запоминания данных 17 вместе с подложкой 18 образуют носитель для запоминания данных. Предпочтительно, чтобы слой для запоминания данных 17 наносился на подложку 18 посредством, например, напыления, лазерной абеляции, либо другой известной технологии. Подложка 18 содержит деформированный слой 29, слой для отвода сигнала 30 и немагнитный и неэлектропроводный материал, например, стекло или керамику, который служит в качестве механической опоры слоя для запоминания данных 17, деформированного слоя 29 и слоя для отвода сигнала 30.

Слой для запоминания данных 17 содержит фиксированное количество атомных слоев магнитного материала, где фиксированное количество атомных слоев обеспечивает слой для запоминания данных 17 с магнитной анизотропией, перпендикулярной его поверхности, то есть, вдоль оси наилегчайшего намагничивания благодаря деформированным межатомным расстояниям, задаваемым деформированным слоем 29. Например, в случае, если слой для запоминания данных 17 содержит Fe, три атомных слоя Fe, расположенных в объемноцентрированной тетрагональной решетке (bct), создают слой для запоминания данных с сильным магнитным моментом по оси Z, нанесенный на подходящий деформированный слой, например, на Ir. Однако, при количестве атомных слоев, больших трех, Fe начинает смещаться к гранецентрированной кубической решетке (fcc), что вызывает сдвиг магнитной анизотропии атомов Fe к плоскости X-Y. Подобные же результаты могут быть получены путем сочетания Fe с некоторыми легирующими примесями или элементами, например, такими как Co или Ni, или путем изменения количества слоев.

Благодаря перпендикулярной магнитной анизотропии слоя для запоминания данных 17, каждая атомная решетка в слое для запоминания данных 17 создает магнитное поле данных, имеющее поляризацию, которая направлена вдоль оси наилегчайшего намагничивания, то есть, перпендикулярно поверхности слоя для запоминания данных 17.

Эти магнитные поля данных представлены на фиг. 3 (а) в виде магнитных полей 23. Как и магнитные поля, создаваемые спин-поляризованными электронами 3, каждое магнитное поле данных, создаваемое в слое для запоминания данных 17, имеет направление поляризации, соответствующее одному из двух значений данных - первому или второму. Например, магнитное поле данных, поляризованное вверх, может соответствовать значению "1", в то время как магнитное поле данных, поляризованное вниз, может соответствовать значению "0", или наоборот. В этом случае участки слоя для запоминания данных 17 хранят данные в одном из двух состояний, то есть с первым и вторым направлениями магнитной полярности. Предполагается, что эти участки слоя для запоминания данных 17 могут иметь размеры до одного атома в ширину и три атома в толщину.

Слой для запоминания данных 17 (фиг. 4а) содержит множество зон выравнивания 22 и зону отстоя 21. Каждая зона выравнивания 22 и зона отстоя 21 содержат электропроводный материал 27 (фиг. 4b), электрически изолированный от слоя для запоминания данных 17 изолятором 28. Зоны выравнивания 22 и зона отстоя 21 используются для выполнения операций выравнивания, отстоя и гашения, которые будут описаны подробнее ниже. Напряжение V₁₀ зоны отстоя 21 и напряжение V₁₁ зон выравнивания 22 определяются блоком управления 1.

Предпочтительно, чтобы слой для запоминания данных 17 имел плоскую поверхность. Предполагается, что среда для запоминания данных может иметь поверхность любой формы, а именно, трехмерную кривую поверхность, что дает возможность всем точкам на слое для запоминания данных располагаться приблизительно эквидистантно по отношению к центру точной апертуры, позволяя уменьшить время прохождения электронов и обеспечивая однородную глубину резкости пучка сквозь поверхность слоя для запоминания данных.

Запоминание данных в устройстве для запоминания и поиска для извлечения данных осуществляется следующим образом.

Контроллер (фиг. 1) получает адресный сигнал и сигнал ввода данных. Источник спин-поляризованных электронов 40 создает спин-поляризованные электроны 3 с направлением поляризации, соответствующим одному из двух значений данных - первому или второму в зависимости от сигнала ввода данных. Затем экстрактор 4 выводит спин-поляризованные электроны 3 из наконечника 2b, коллиматоры 6, 7 и 9 собирают спин-поляризованные электроны 3 в пучок спин-поляризованных электронов 19, а электростатические линзы 10-12 фокусируют пучок спин-поляризованных электронов 19. Пучок спин-поляризованных электронов 19 (фиг. 5a) направляется микродефлекторами 14 (фиг. 1) и 15 к магнитному полю данных, образованному на участке слоя для запоминания данных 17, на который должны быть записаны данные. Контроллер 1 использует адресный сигнал для определения того участка, на который должны быть записаны данные. Пересекая магнитное поле с соответствующей длиной волны, пучок (фиг. 5b) спин-поляризованных электронов 19 бомбардирует поверхность слоя для запоминания данных 17, вызывая эффект последовательного реверсирования поля вдоль оси наилегчайшего намагничивания, образуя магнитное поле данных. В результанте магнитному полю данных придается направление поляризации электронов в пучке спин-поляризованных электронов.

Для достижения требуемого эффекта последовательного реверсирования поля длина электронной волны в пучке спин-поляризованных электронов 19 должна быть установлена в соответствии с видом материала, используемого в слое для запоминания данных 17. В частности, длина электронной волны пучка спин-поляризованных электронов 19 должна быть примерно равна дебройлевской длине волны электронов во внешней d подоболочке атомов материала, используемого в слое для запоминания данных 17. Другими словами, энергия пучка должна быть примерно равна кинетической энергии электронов в внешней d подоболочке атомов материала, используемого в слое для запоминания данных 17.

Предполагается, что участки слоя для запоминания данных 17 размером до одного атома в ширину могут представлять одно значение данных. Предполагается также, что участки слоя для запоминания данных 17 шириной в несколько атомов могут представлять одно значение данных, как схематически показано на фиг. 3b. Если атомы в слое для запоминания данных 17 сгруппированы именно таким образом, то диаметр пучка спин-поляризованных электронов 19 необходимо увеличить, чтобы он был способен взаимодействовать с большими зонами для запоминания данных.

Считывание данных из слоя для запоминания данных 17 можно выполнить двумя способами.

В первом способе считывания данных контроллер 1 получает адресный сигнал. Источник спин-поляризованных электронов 40 создает спин-поляризованные электроны 3 с направлением поляризации, соответствующим одному из двух значений данных первому или второму. Далее экстрактор 4 выводит спин-поляризованные электроны 3 из наконечника 2b, коллиматоры 6, 7 и 9 собирают спин-поляризованные электроны 3 в пучок спин-поляризованных электронов 19, а электростатические линзы 10-12 фокусируют пучок спин-поляризованных электронов 19. Затем пучок спин-поляризованных электронов 19 направляется микродефлекторами 14 и 15 на тот участок слоя для запоминания данных 17, с которого должны быть считаны данные. Контроллер 1 использует адресный сигнал для определения участка, с которого должны считываться данные.

Если направление поляризации магнитного поля данных участка, подлежащего считыванию, такое же, как направление поляризации электронов в пучке спин-поляризованных электронов 19 (фиг. 6a), то электроны в пучке спин-поляризованных электронов 19 притягиваются магнитным полем данных и поглощаются слоем для запоминания данных 17. Поглощение электронов слоем для запоминания данных 17 приводит к генерированию сигнала S₂₀.

Если направление поляризации магнитного поля данных противоположно направлению поляризации электронов в пучке спин-поляризованных электронов 19 (фиг. 6b), то электроны в пучке спин-поляризованных электронов 19 отклоняются магнитным полем и попадают в электронный детектор 16. Как указано выше, попадание электронов в электронный детектор 16 приводит к формированию сигнала S₁₈.

Притяжение электронов в пучке спин-поляризованных электронов 19 магнитным полем определяется блоком управления 1 как первое значение данных, например, значение "0", в то время как отклонение электронов в пучке спин-поляризованных электронов 19 магнитным полем определяется блоком управления как второе значение данных, например, значение "1". В частности, блок управления 1 определяет и интерпретирует сигнал S₁₈, сигнал S₂₀ или оба сигнала S₁₈, и S₂₀ в фиксированный момент времени относительно момента генерирования спин-поляризованных электронов 3 и следовательно в фиксированный момент времени относительно момента соударения потока спин-поляризованных электронов 19 со слоем для запоминания данных 17. Если сигнал S₁₈ не обнаружен и/или блоком управления 1 обнаружено напряжение V₂₀ через определенное время после генерирования спин-поляризованных электронов 3, то блок управления 1 определяет, что электроны в потоке спин-поляризованных электронов 19 были притянуты магнитным полем данных и поглощены слоем для запоминания данных 17. С другой стороны, если через определенное время после генерирования спин-поляризованных электронов 3 обнаружен сигнал S₁₈ и/или блоком управления 1 не обнаружен 1 сигнал S₂₀, то блок управления 1 определяет, что электроны в пучке спин-поляризованных электронов 19 были отклонены магнитным полем данных и обнаружены детектором 16. Предпочтительно, чтобы избыточные электроны в слое для запоминания данных 17 отводились, например, через электрод, формирующий сигнал S₂₀, в то время как избыточные электроны в электронном детекторе 16 отводились, например, через электрод, формирующий сигнал S₁₈

Как и в случае с запоминанием данных, при считывании данных из слоя для запоминания данных 17 при использовании первого способа энергетический уровень пучка спин-поляризованных электронов 19 должен быть установлен в зависимости от материала, используемого в слое для запоминания данных 17. Однако при считывании данных при использовании первого способа энергетический уровень пучка спин-поляризованных электронов 19 должен быть достаточно низким, чтобы не вызвать изменения в магнитных полях данных, созданных в слое для запоминания данных 17.

При втором способе считывания данных источник спин-поляризованных электронов 40 обеспечивает спин-поляризованные электроны 3 с направлением поляризации, соответствующим одному из двух значений данных - первому или второму. Далее экстрактор 4 выводит спин-поляризованные электроны 3 из наконечника 2b, коллиматоры 6, 7 и 9 собирают спин-поляризованные электроны 3 в пучок спин-поляризованных электронов 19, а электростатические линзы 10-12 фокусируют пучок спин-поляризованных электронов 19. Затем пучок спин-поляризованных электронов 19 направляется микродефлекторами 14 и 15 на участок слоя для запоминания данных 17, с которого должны считываться данные.

Во втором случае энергия пучка спин-поляризованных электронов 19 выше, чем при запоминании данных, и должна быть настолько высока, чтобы пучок спин-поляризованных электронов 19 проник в участок слоя для запоминания данных 17 для получения вторичных электронов. Предпочтительно, чтобы энергия пучка спин-поляризованных электронов 19 не была настолько высока, чтобы вызвать тепловую миграцию атомов в решетках слоя для запоминания данных 17.

Вторичные электроны, создаваемые слоем для запоминания данных 17, имеют определенную энергию и спин, которые определяются соотношением между направлением поляризации магнитного поля данных, создаваемого участком слоя для запоминания данных 17, и направлением поляризации электронов в пучке спин-поляризованных электронов 19. Эти характеристики вторичных электронов определяются как одно из значений данных первое или второе.

Если направление поляризации магнитного поля данных такое же, как направление поляризации электронов в потоке спин-поляризованных электронов 19 (фиг. 7a), то слой для запоминания данных 17 создает вторичные электроны 24, имеющие первые характеристики энергии и спина, соответствующие первому значению данных, например, значению "1". Если направление поляризации магнитного поля данных противоположно направлению поляризации электронов в потоке спин-поляризованных электронов 19 (фиг. 7b), то слой для запоминания данных 17 создает вторичные электроны 26, имеющие вторые характеристики энергии и спина, соответствующие второму значению данных, например, значению "0". Вторичные электроны, создаваемые слоем для запоминания данных 17, обнаруживаются электронным детектором 16, чтобы получить сигнал S₁₈, который отражает характеристики вторичных электронов. Получив сигнал S₁₈, блок управления 1 интерпретирует характеристики вторичных электронов.

Хотя второй способ состоит в определении характеристик энергии и спина вторичных электронов, создаваемых слоем для запоминания данных 17, предполагается, что для считывания данных из слоя для запоминания данных 17 можно определять другие известные характеристики вторичных электронов. Кроме того, хотя большинство вторичных электронов, создаваемых слоем для запоминания данных 17, эмитируются слоем для запоминания данных 17 (фиг. 7a, b), некоторые из вторичных электронов остаются внутри слоя для запоминания данных 17, образуя сигнал S₂₀. Таким образом предполагается, что характеристики вторичных электронов, создаваемых слоем для запоминания данных 17, могут быть определены и интерпретированы блоком управления 1 с помощью сигнала S₂₀.

Выравнивание пучка спин-поляризованных электронов 19 (фиг. 8) выполняется путем направления пучка в одну или более зон выравнивания 22. Когда блоком управления 1 обнаруживается напряжение V₁₁, адресуемая и облучаемая зоны совпадают. Если напряжение V₁₁ не обнаружено, то сигналы S₂-S₁₇ к микродефлекторам 14 и 15 могут быть отрегулированы так, чтобы компенсировать любую неупорядоченность. Предпочтительно, чтобы выравнивание пучка спин-поляризованных электронов 19 делалось периодически во время работы устройства.

Гаситель 13 под управлением блока 1 предотвращает падение пучка спин-поляризованных электронов 19 на слой для запоминания данных 17. Гаситель 13 содержит два полюса, управляемых сигналом S₁. Гаситель 13 может иметь и другие известные конструкции, а полюса могут управляться индивидуально.

Блок управления 1 подает сигнал S₁ на гаситель 13 в определенный момент времени и в течение некоторого интервала, чтобы погасить пучок спин-поляризованных электронов 19, в то время когда он проходит через микродефлекторы 14 и 15 и нацеливается на другой участок слоя для запоминания данных 17. Гаситель 13 может также быть использован для гашения пучка спин-поляризованных электронов 19 во время операции считывания данных, когда блок управления 1 определяет, отклоняются или эмитируются электроны слоем для запоминания данных 17. Полюса гасителя 13 вызывают диффузию пучка спин-поляризованных электронов 19, так что электроны не попадают на поверхность слоя для запоминания данных 17 в виде пучка.

В альтернативном варианте микродефлекторы 14 и 15 могут быть использованы для осуществления гашения пучка спин-поляризованных электронов 19 во время операций считывания данных. Например, блок управления 1 может подавать сигналы S₂-S₁₇ на дефлекторы 14 и 15, чтобы направить пучок спин-поляризованных электронов 19 на конкретную зону на слое для запоминания данных 17, которая не используется для запоминания данных, например зону отстоя 21 (фиг. 9). Падение пучка спин-поляризованных электронов 19 на зону отстоя 21 обнаруживается блоком управления 1 в виде напряжения V₁₀.

В слое для запоминания данных 17 могут существовать дефекты как результат некачественного изготовления, старения или по другим причинам, при этом одна или более дефектных зон слоя для запоминания данных 17 становятся негодными для запоминания. Поэтому для предотвращения считывания данных и запоминания данных на таких дефектных зонах предусмотрена операция форматирования. Например, во время операции форматирования блок управления 1, по меньшей мере, один раз периодически изменяет сверху вниз или наоборот полярность каждого магнитного поля данных, создаваемого в слое для запоминания данных 17, и каждый раз проверяет результат. Операция форматирования может быть выполнена, например, путем последовательного использования операций считывания и запоминания данных, описанных выше. Блок управления 1 определяет конкретные участки слоя для запоминания данных 17, с которых записанные данные не могут быть надежно считаны. После завершения операции форматирования адреса непригодных участков слоя для запоминания данных 17 записываются в память, которая поддерживается, например, блоком управления 1 для определения, куда можно записывать данные во время следующих операций запоминания данных.

Предполагается, что операция форматирования может обнаружить и запомнить адреса непригодных участков слоя для запоминания данных 17 во время работы устройства для запоминания и извлечения данных. Например, после каждой операции записи на участок слоя для запоминания данных 17 блок управления 1 затем может считать данные с этого участка, чтобы удостовериться, что этот участок в настоящее время не имеет дефектов.

Блок управления 1 может также использовать память для запоминания адресов участков слоя для запоминания данных 17, которые используются для хранения и защиты данных, которые часто считываются, но нечасто записываются. Примерами данных такого типа, хранящихся в запоминающей среде, являются данные о конфигурации и программное обеспечение драйверов, хранящиеся в ROM (ПЗУ - только для считывания). Этот тип данных хранится на участках слоя для запоминания данных 17, которые предусмотрены в памяти как защищенные. В качестве дополнительной защиты для предотвращения несанкционированных изменений защищенных данных некоторые участки слоя для запоминания данных 17 могут содержать альтернативный материал для слоя запоминания данных 17. Этот альтернативный материал потребует использования для запоминания данных пучка спин-поляризованных электронов с другой интенсивностью, отличной от той, которая требуется для незащищенных данных. Таким образом для изменения полярности таких защищенных данных потребуется как доступ к памяти блока управления 1, так и изменение интенсивности пучка спин-поляризованных электронов.

Выше был рассмотрен пучок спин-поляризованных электронов с продольной спин-поляризацией, однако можно использовать также поперечную поляризацию. Поперечная поляризация пучка спин-поляризованных электронов требует, чтобы магнитные моменты в носителе были параллельны/антипараллельны поляризации пучка электронов и чтобы магнитная связь между зонами памяти была недостаточной, чтобы вносить помехи во взаимодействии пучка с носителем.

Преимуществом заявленного способа и устройства является отсутствие движущихся частей. Однако предполагается, что добавив некоторые механизмы, можно будет получить возможность перемещения слоя для запоминания данных относительно пучка. В результате такого перемещения может осуществляться поворот слоя для запоминания данных, замена одного слоя для запоминания данных на другой, и т.п. Также можно сделать движущимся устройство формирования пучка.

Предпочтительно, чтобы напряжения V₂-V₈ и V₁₂-V₁₉ и сигналы S₂-S₉, S₁₀ -S₁₇ и S₁₉ имели регулируемые составляющие смещения. Эти составляющие смещения используются для компенсации несоосности, отклонения пучка и корректируемых воздействий на пучок спин-поляризованных электронов 19, вызываемых другими элементами. Составляющая смещения элемента изменяет воздействие этого элемента на пучок спин-поляризованных электронов 19 путем изменения напряженности поля внутри апертуры элемента. Предпочтительно, чтобы регулировки смещения выполнялись блоком управления 1 во время работы устройства. Они появляются в определенном порядке, когда при выполнении операций считывания и запоминания нет возможности определить или изменить полярность магнитного поля данных, создаваемого в слое для запоминания данных 17. Величина компенсирующего смещения для каждого элемента определяется регулировками, необходимыми для повторной фокусировки интенсивности, длины волны и поперечного сечения пучка спин-поляризованных электронов 19 на слое для запоминания данных 17, чтобы известное магнитное поле данных можно было изменить и считать.

Устройство эмиссии электронов 40 (фиг. 10) содержит наконечник 2b, который представляет собой модулированный самополяризующийся заостренный наконечник для эмиссии продольно поляризованных электронов малой энергии, причем ось спина электронов параллельна траектории эмиссии. Подложка 2a служит для внешнего монтажа наконечника 2b и является базой, на которой изготовляются остальные элементы наконечника. Подложка 2a содержит двуокись кремния SiO₂, которая электрически изолирует слой намагничивания 31 от проводящего слоя 33, связанного с выступающей частью 33a, которая является электрическим контактом для проводящего слоя 33.

Изолирующий слой 32 находится на слое намагничивания 31 и заходит за края слоя намагничивания 31, связанного с выступающей частью слоя намагничивания 33a. Изолирующий слой 32 содержит SiO₂, который изолирует токи в слое намагничивания 31 и проводящем слое 33.

Проводящий слой 33 представляет собой сверхтонкую пленку из ферромагнитного материала, например, Fe, напиленного на изолирующий слой 32 способом МВЕ (молекулярно-пучковая эпитаксия) либо другим известным способом. Проводящий слой 33 предпочтительно представляет собой один магнитный домен. Выступающая часть слоя намагничивания 31 и выступающая часть проводящего слоя 33 электрически соединены со слоем намагничивания 31 и проводящим слоем 33 соответственно.

На фиг. 11 показан разрез устройства эмиссии электронов 40. Слой намагничивания 31 представляет собой проводящий металл, например Au, напыленный на подложку 2a через литографическую маску с использованием молекулярно-пучковой эпитаксии (МВЕ). Слой намагничивания 31 содержит ряд плоских концентрических колец с двумя контактами для сигнала S₁₉, лежащими вне плоскости колец.

Две электропроводные зоны для сигнала S₁₉ на удлинении слоя намагничивания 31a (фиг. 12) являются выступом над плоскостью слоя намагничивания 31. Зона электрического соединения для напряжения источника V₁ - это удлинение проводящего слоя 33a, являющееся выступом над плоскостью проводящего слоя 33 (фиг. 10). Электрические соединения припаяны непосредственно к удлинению слоя намагничивания 31a и удлинению проводящего слоя 33a с помощью припоя из индия, либо другого известного подходящего материала.

Наконечник 2b представляет собой заостренный наконечник из проводящего материала, который может быть выращен путем эпитаксии на проводящем слое 33. Общее соединение между наконечником 2b и проводящим слоем 33 предотвращает электрическое взаимодействие между проводящим слоем 33 и наконечником 2b, тем самым подавляя рассеяние электронных спинов, пересекающих границу раздела между слоем 33 и наконечником 2b, и предотвращает спиновый переменный импеданс к потоку спин-поляризованных электронов в наконечник 2b. Таким образом большее количество электронов пересекает границу раздела с сохраненной поляризацией.

Начального намагничивания наконечника 2b или любого из его элементов не требуется. Сигнал S₁₉, представляющий собой напряжение с изменяющейся с [+] на [-] полярностью, подается к двум зонам электрического соединения на выступающей части слоя намагничивания 31a, смежного с подложкой 2a. Ток I₁₉ протекает через зону электрического соединения слоя намагничивания 31, через концентрические кольца и вытекает из второй зоны электрического соединения слоя намагничивания 31. Ток I₁₉ устанавливает магнитное поле ниже и выше плоскости слоя. Созданное магнитное поле распространяется перпендикулярно через изолирующий слой 32 и проводящий слой 33. Проводящий слой 33 намагничивается в первом направлении согласно направлению тока I₁₉, протекающего в слое намагничивания 31. После снятия напряжения S₁₉ проводящий слой 33 остается намагниченным, поскольку он изготовлен из парамагнитного материала. Сигнал S₁₉ представляет собой напряжение переменной полярности, которое регулируется контроллером 1, обеспечивающим его совпадение по фазе с работой устройства. Когда контроллер 1 изменяет полярность напряжения S₁₉ на противоположную, проводящий слой 33 намагничивается в противоположном или втором направлении. Ток источника I₁, подаваемый в проводящий слой 33, становится поляризованным благодаря собственной намагниченности проводящего слоя 33. Спин-поляризованный ток снимается с наконечника 20 около острого конца благодаря тому, что острый наконечник находится в изменяющемся электрическом поле от экстрактора 4 в точке, где градиент электрического поля наконечника 2b наибольший.

Носителями тока могут быть электроны, либо дырки. Ниже описывается вариант, когда носителями тока являются электроны. Подоболочка 3d атома Fe имеет 5 электронов с одним спином и шестой электрон с противоположным спином. Спин электрона создает магнитный момент посредством собственного углового момента, который является самостоятельным и примерно вдвое превосходит орбитальный угловой момент. Каждый электрон имеет результирующий магнитный момент благодаря этому собственному угловому моменту, который выравнивается, образуя магнитный момент атома. Первые 5 электронов в подоболочке 3d атома Fe выравнивают свой спин и результирующие магнитные моменты в соответствии с внешним полем, создаваемым слоем намагничивания 31, и становятся параллельными ему (в пределах ограничений орбитальной структуры атомных электронов). Шестой спин антипараллелен первым пяти, подавляя магнитный момент 1 электрона. Ток содержит электроны, имеющие случайный спин. Следовательно, если ток протекает через тонкую планарную пленку, пронизываемую перпендикулярным внешним магнитным полем, то он становится поляризованным. В результате электроны, протекающие через проводящий слой, становятся спин-поляризованными.

Элементы наконечника могут быть любой конструкции, при условии, что ось намагничивания через проводящий слой 33, который поляризует спины, располагается рядом продольно эмиттирующей поверхностью.

Как вариант, можно обеспечить генерирование поперечно поляризованных электронов путем изготовления элементов наконечника со слегка модифицированной, по сравнению с предпочтительным вариантом, конструкцией. В таком альтернативном варианте ось намагничивания через проводящий слой располагается перпендикулярно эмиттирующей поверхности.

В общем случае источник спин-поляризованных электронов может быть любым известным источником, создающим спин-поляризованные электроны. В качестве наконечника можно использовать, например, наконечник сканирующего электронного микроскопа, либо другого подобного прибора. Предпочтительно, чтобы наконечник имел маленький диаметр, например, как диаметр одного атома.

Выше был рассмотрен плоский слой для запоминания данных 17, но предполагается, что возможно использование и других форм и конструкций. Например, магнитная среда может быть построена из набора геометрических фигур, таких как цилиндры, конусы, пирамиды, сферы, кубы или другие неправильные геометрические формы, которые могут быть, а могут и не быть электрически изолированы друг от друга. Геометрические фигуры могут иметь любую форму, при условии, что магнитная ось электронов в пучке параллельна магнитной оси облучаемых атомов в геометрической фигуре.

В альтернативном варианте воплощения изобретения цилиндры 35 (фиг. 13) содержат ферромагнитный материал на подложке 34. Ось легчайшего намагничивания цилиндров 35 может быть продольной. Эта ось легчайшего намагничивания ориентирована параллельно продольно спин-поляризованным электронам в пучке 19 для того, чтобы поляризовать магнитную ось цилиндров 35.

В другом альтернативном варианте магнитная среда может представлять собой образования в форме конуса, нанесенные в виде регулярной решетки на поверхность. Магнитная ось конуса может быть параллельна плоскости поверхности, но тогда для поляризации магнитной оси конуса необходимо, чтобы спин-поляризованные электроны были поперечно поляризованными.

Хотя в качестве примера рассматривалась магнитная среда из Fe, в качестве магнитной среды может быть использован любой металл с множеством электронов с перекрывающимися диапазонами энергий связи электронов f или s подоболочек с электроном внешней d оболочки и который может быть изготовлен с деформированной структурой, например bct, в нескольких атомных слоях, поскольку магнитный момент магнитной среды создается спином электронов внешней d подоболочки металла в среде. В качестве таких металлов для магнитной среды могут быть использованы элементы из трех групп переходных элементов периодической таблицы. Например, подходящие металлы из группы 3d могут включать Co и Ni. Подобным же образом подходящие металлы из групп 4d и 5d могут включать Mo и Ir соответственно.

В этих металлах электроны заполняют следующую внешнюю подоболочку, прежде чем будет заполнена внешняя подоболочка d. Для группы 3d химические свойства атома определяют s электронов, в то время как магнитные свойства атома определяют d электронов. В общем случае электроны во внешней d подоболочке остаются неспаренными, всякий раз, когда это возможно. Первые пять электронов в подоболочке имеют параллельные спины, каждый из которых суммируется с магнитным моментом атома. Последующие электроны должны быть антипараллельны, как можно заметить из анализа взаимодействия четвертого квантового числа с самыми низкими энергетическими электронными состояниями. Эти антипараллельные электроны образуют пары с первыми электронами и аннулируют свои магнитные моменты.