Spin-orbit torque (SOT) magnetisatie-omschakeling is een fenomeen dat wordt veroorzaakt door een spinstroom, die op zijn beurt wordt opgewekt door een laadstroom. Het opwekken van dit fenomeen zou kunnen helpen om de magnetisatie in spintronische apparaten te manipuleren, mogelijk hun prestaties verhogen.

Ondanks hun potentiële voordelen, tot dusver, de meeste ferromagnetische spin-orbit koppelsystemen bleken beperkt te zijn in hun werkingssnelheid, voornamelijk vanwege hun inherente magnetisatiedynamiek. Sommige studies suggereerden dat antiferromagnetische en ferrimagnetische materialen, die groepen atomen bevatten met tegengestelde magnetische momenten, zou kunnen helpen om deze beperking te overwinnen, waardoor een snellere spindynamiek mogelijk is.

Een onderzoeksteam van de National University of Singapore doet al enkele jaren onderzoek naar draai-orbit-koppelomschakeling in gecompenseerde ferrimagnetten. In een recente studie in Natuur Elektronica , ze bereikten met succes ultrasnelle SOT-magnetisatie-omschakeling in ferrimagnetische kobalt-gadolinium (CoGd) -legeringen.

"We hebben gewerkt aan stroomgeïnduceerde magnetisatieschakeling in verschillende magnetische materialen, "Kaiming Cai, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde TechXplore. "Ons recente werk demonstreert direct de ultrasnelle werking van magnetisatie-omschakeling in een CoGd-ferrimagnetisch apparaat, gecombineerd met een laag energieverbruik."

In hun eerdere studies de onderzoekers identificeerden een reeks karakteristieke fysieke verschijnselen die voorkomen in ferrimagneten. Bijvoorbeeld, ze ontdekten dat deze materialen verbeterde SOT-efficiëntie vertonen vanwege een eigenschap die bekend staat als negatieve uitwisselingsinteractie. Recenter, Hyunsoo Yang, die het onderzoeksteam leidde, en sommige van zijn collega's observeerden ook een lange spincoherentielengte en bulkachtige koppelkarakteristieken in een ferrimagnetische meerlaagse laag.

"Onze eerdere werken benadrukten sterke stroom-geïnduceerde koppels en hoge schakelefficiëntie in ferrimagnet SOT-apparaten, " zei Yang. "In onze nieuwe studie, we wilden de onderliggende fysica van de hoge SOT-efficiëntie in gecompenseerde ferrimagnetten onthullen. Vanuit een toepassingsoogpunt, we ontwierpen een sub-nanoseconde en low-power geheugen op basis van ferrimagnetten."

Ultrasnel en energiezuinig schakelen is een inherente eigenschap van ferrimagnetische materialen. De antiferromagnetisch gekoppelde Co-Gd-verbindingen in het materiaal dat door Yang en zijn collega's is onderzocht, versnellen de overdracht van het spin-impulsmoment, wat resulteert in sneller schakelen voor ferrimagnet SOT-apparaten.

De onderzoekers verzamelden tijdsopgeloste metingen met behulp van een stroboscopische pomp-sondetechniek. Hierdoor konden ze de SOT-schakeldynamiek in de loop van de tijd direct observeren, deze vervolgens te vergelijken met die waargenomen in ferromagnetische materialen.

"Bij onze experimenten we konden de pulsstroomduur en schakeltijd direct meten, Yang zei. "De ferrimagnetische apparaten kunnen worden geschakeld door een stroompuls van minder dan een nanoseconde binnen een schakeltijd van minder dan een nanoseconde. In aanvulling, we hebben de snelheid van de domeinmuur geëxtraheerd tijdens SOT-omschakeling."

Door de samenstelling van de ferrimagneetlegering af te stemmen, Yang en zijn collega's waren in staat om de schakeltijd in het CoGd ferrimagnetische apparaat te verminderen tot sub-nanoseconden, het bereiken van een domeinmuursnelheid van 5,7 km/s. Opmerkelijk, dit is een van de hoogste stroomgeïnduceerde domeinwandsnelheden bij kamertemperatuur die tot nu toe in de literatuur zijn gerapporteerd.

"Tegelijkertijd verminderen van de schakeltijd en het vermogen in moderne geheugenapparaten is nu van het grootste belang, " zei Cai. "We hebben een schakeltijd van sub-nanoseconde en energieverbruik aangetoond die één tot twee orden van grootte lager is dan die van conventionele ferromagnetische SOT-systemen."

De bevindingen kunnen verschillende implicaties hebben, zowel voor toekomstig onderzoek als voor de ontwikkeling van nieuwe apparaten. In feite, naast het verschaffen van nieuwe inzichten over SOT-omschakeling in ferrimagnetische materialen, hun werk introduceert een nieuwe ultrasnelle, energiezuinig en veelbelovend apparaat.

In de toekomst, het apparaat dat in hun onderzoek werd gepresenteerd, zou kunnen worden gebruikt om niet-vluchtige herinneringen te bedenken, die mogelijk cachegeheugens kunnen vervangen die in veel huidige CPU's worden gebruikt, uiteindelijk de weg vrijmaakt voor effectieve in-memory computertoepassingen. Aangezien soortgelijke ferrimagnetische materialen in 1998 op de markt werden gebracht voor magneto-optische schijven en in het begin van de jaren 2000 op gigabyteschaal werden toegepast, het apparaat zou een haalbare commerciële route voor geheugentechnologieën kunnen blijken te zijn.

Hoewel de eerste tests van Yang en hun collega's het potentieel van hun apparaat aantonen, er moeten nog een aantal zaken worden aangepakt voordat het op grote schaal kan worden geïmplementeerd. Bijvoorbeeld, om deterministisch schakelen in het apparaat mogelijk te maken, is momenteel een extern magnetisch veld vereist, wat het gebruik ervan in SOT- magnetoresistieve random access memory (MRAM)-toepassingen aanzienlijk beperkt.

"Het verwijderen van de noodzaak van het externe magnetische veld zal een van de belangrijkste richtingen zijn voor ons toekomstige onderzoekswerk, " Yang zei. "Dit kan worden bereikt door technische materialen en apparaatstructuren. In de tussentijd, werken we aan sneller en energiezuiniger overstappen, wat ons zou kunnen helpen om SOT-switching te realiseren met een tijdschaal van tientallen picoseconden of zelfs meerdere picoseconden."

© 2020 Wetenschap X Netwerk