Magnetische random-access memory (MRAM)-technologie biedt een aanzienlijk potentieel voor universele geheugenarchitectuur van de volgende generatie. State-of-the-art MRAM's worden echter nog steeds fundamenteel beperkt door een snelheidsbeperking van minder dan nanoseconden, wat een langdurige wetenschappelijke uitdaging is gebleven in de spintronica-R&D. In dit dubbeldoctoraatsproject demonstreerde Luding Wang experimenteel een volledig functioneel picoseconde opto-MRAM-bouwsteenapparaat, door ultrasnelle fotonica te integreren met spintronica.

MRAM-ontwikkelingsknelpunten

Heeft u ooit een onverwachte afsluiting van uw computer meegemaakt, waarbij u documenten kwijtraakte tijdens het proces waar u uren aan hebt gewerkt? Magnetische random-access memory (MRAM) -technologie richt zich op het manipuleren van elektronenspin om zo'n technische storing op te lossen. Binnen MRAM-bits worden gegevens geschreven door nanomagneten van richting te veranderen. Met MRAM kunnen gegevens dus op een duurzame manier worden opgeslagen wanneer de stroom is uitgeschakeld, computers sneller opstarten en de apparaten minder stroom verbruiken.

In de afgelopen 25 jaar zijn twee grote generaties MRAM's uitgevonden en op de markt gebracht. De vroegste MRAM's gebruiken een magnetisch veld om de bits te schrijven, terwijl de modernste MRAM's een op spinstroom gebaseerde methode implementeren. Het gegevensschrijfproces van deze MRAM's werd echter gehinderd door een langdurige uitdaging:de snelheid is beperkt tot het nanoseconderegime en verbruikt veel stroom.

Ultrasnelle fotonica-integratie

In dit proefschrift integreert Luding Wang van de onderzoeksgroep Physics of Nanostructures van de afdeling Technische Natuurkunde een snelle ontwikkeling op het gebied van ultrasnelle fotonica, de femtoseconde (fs) laser:de snelste commercieel beschikbare prikkel voor de mensheid om de nanoseconde snelheidsbeperking te doorbreken , en maak het ondertussen duizend keer energiezuiniger.

In dit dubbeldoctoraatsproject hebben onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) onder leiding van prof. dr. Bert Koopmans, en het Fert Beijing Institute van Beihang University onder leiding van prof. dr. Weisheng Zhao, hebben de eerste proof-of-concept van dit spintronisch-fotonische geheugen laten zien met behulp van een interdisciplinaire denkwijze.

Hybride optische MRAM-geheugen

Geïnspireerd door de femtoseconde laser-geïnduceerde all-optical switching (AOS)-schema's in synthetische ferrimagnetische meerlagen die de TU/e ​​in 2017 ontdekte, is de integratie met MRAM-bits naar voren gekomen als een competitieve route naar MRAM-ontwerp van de volgende generatie. Van zijn Ph.D. onderzoek, rapporteert Wang over het ontwerp en de karakterisering van zo'n "hybride" opto-geheugenapparaat, bedacht een opto-MRAM-bitcel. Hij laat een wereldrecord schrijfsnelheid zien van 20 picoseconden (ps), wat 1-2 orden van grootte hoger is dan de huidige state-of-the-art MRAM's, met een verbeterde energie-efficiëntie (≈ 100 femtojoule om een ​​50×50 nm2 bit).

Deze eerste stap in de richting van de ontwikkeling van een "opto-MRAM" is een veelbelovende start naar een uniek niet-vluchtig fotonisch geheugen. Het maakt een directe conversie van optische informatie naar magnetische informatie mogelijk, zonder tussenliggende energie-kostbare elektronische conversiestappen. Bovendien vormen de experimentele resultaten een belangrijke stap vooruit om verdere fundamentele wetenschappelijke studies te stimuleren die de domeinen van spintronica en fotonica combineren. + Verder verkennen

Demonstratie van supersnelle SOT-MRAM-geheugencel die compatibel is met 300 mm Si CMOS-technologie