Onderzoekers van de Pohang University of Science and Technology (POSTECH) en de Seoul National University in Zuid-Korea hebben een nieuwe manier aangetoond om de energie-efficiëntie van een niet-vluchtig magnetisch geheugenapparaat genaamd SOT-MRAM te verbeteren. Gepubliceerd in Geavanceerde materialen , deze bevinding opent een nieuw venster van opwindende mogelijkheden voor toekomstige energiezuinige magnetische geheugens op basis van spintronica.

Bij moderne computers is het RAM-geheugen (Random Access Memory) wordt gebruikt om informatie op te slaan. De SOT-MRAM (spin-orbit torque magnetic RAM) is een van de toonaangevende kandidaten voor de volgende generatie geheugentechnologieën die de prestaties van verschillende bestaande RAM's willen overtreffen. De SOT-MRAM kan sneller werken dan de snelste bestaande RAM (SRAM) en informatie behouden, zelfs nadat de elektrische energievoorziening is uitgeschakeld, terwijl alle snelle RAM's die tegenwoordig bestaan, informatie verliezen zodra de energievoorziening wordt uitgeschakeld. Het huidige niveau van de SOT-MRAM-technologie voldoet niet, echter, vanwege de hoge vraag naar energie; het vereist een grote energietoevoer (of grote stroom) om informatie te schrijven. Het verlagen van de energievraag en het verbeteren van de energie-efficiëntie is een uitstekend probleem voor de SOT-MRAM.

In de SOT-MRAM, magnetisatierichtingen van kleine magneten slaan informatie op en schrijven hoeveelheden om de magnetisatierichtingen in de gewenste richtingen te veranderen. De verandering van de magnetisatierichting wordt bereikt door een speciaal natuurkundig fenomeen genaamd SOT dat de magnetisatierichting wijzigt wanneer een stroom wordt toegepast. Om de energie-efficiëntie te verbeteren, zachte magneten zijn de ideale materiaalkeuze voor de kleine magneten, omdat hun magnetisatierichtingen gemakkelijk kunnen worden veranderd door een kleine stroom. Zachte magneten zijn een slechte keuze voor het veilig opslaan van informatie, omdat hun magnetisatierichting kan worden gewijzigd, zelfs als dit niet de bedoeling is - als gevolg van thermische ruis of andere ruis. Om deze reden, de meeste pogingen om de SOT-MRAM te bouwen gebruiken harde magneten, omdat ze zeer sterk magnetiseren en hun magnetisatierichting niet gemakkelijk wordt veranderd door ruis. Maar deze materiaalkeuze maakt de energie-efficiëntie van de SOT-MRAM onvermijdelijk slecht.

Een gezamenlijk onderzoeksteam onder leiding van professor Hyun-Woo Lee van de afdeling Natuurkunde van POSTECH en professor Je-Geun Park van de afdeling Natuurkunde van de Seoul National University (voormalig associate director van het Center for Correlated Electron Systems binnen het Institute for Basic Science in Korea), demonstreerde een manier om de energie-efficiëntie te verbeteren zonder de vraag naar veilige opslag op te offeren. Ze meldden dat ultradun ijzergermaniumtelluride (Fe ₃ GeTe ₂ , FGT) - een ferromagnetisch materiaal met speciale geometrische symmetrie en kwantumeigenschappen - schakelt over van een harde magneet naar een zachte magneet wanneer een kleine stroom wordt toegepast. Dus wanneer het schrijven van informatie niet bedoeld is, het materiaal blijft een harde magneet, wat goed is voor de veilige opslag, en alleen als schrijven de bedoeling is, het materiaal schakelt over naar een zachte magneet, waardoor een verbeterde energie-efficiëntie mogelijk is.

"Intrigerende eigenschappen van gelaagde materialen blijven me verbazen:de stroom door FGT induceert een hoogst ongebruikelijk type spin-orbittorsie (SOT), die het energieprofiel van dit materiaal wijzigt om het te veranderen van een harde magneet naar een zachte magneet. Dit staat in duidelijk contrast met SOT geproduceerd door andere materialen, die de magnetisatierichting kan veranderen, maar een harde magneet niet kan omschakelen naar een zachte magneet, " legt professor Lee uit.

Experimenten door de groep van professor Park onthulden dat dit op FGT gebaseerde magnetische geheugenapparaat zeer energiezuinig is. Vooral, de gemeten grootte van SOT per aangelegde stroomdichtheid is twee ordes van grootte groter dan de eerder gerapporteerde waarden voor andere kandidaatmaterialen voor de SOT-MRAM.

"Het beheersen van magnetische toestanden met een kleine stroom is essentieel voor de volgende generatie energiezuinige apparaten. Deze zullen grotere hoeveelheden gegevens kunnen opslaan en snellere gegevenstoegang mogelijk maken dan de elektronische geheugens van vandaag, terwijl je minder energie verbruikt, " merkt Dr. Kaixuan Zhang op, die een teamleider is in de groep van Professor Park, geïnteresseerd in het bestuderen van de toepassing van gecorreleerde kwantumfysica in spintronische apparaten.

"Onze bevindingen openen een fascinerende weg van elektrische modulatie en spintronische toepassingen met behulp van 2D gelaagde magnetische materialen, ’ sloot professor Lee af.