研究人员在铁磁器件中实现了超快自旋-轨道转矩转换

时间:2020-01-31 18:12 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

研究人员在铁磁器件中实现了超快自旋-轨道转矩转换

自旋转矩(SOT)磁化开关是由自旋电流引起的一种现象,而自旋电流又是由电荷电流产生的。激发这种现象可能有助于操纵自旋电子器件中的磁化,从而潜在地提高它们的性能。

尽管其潜在的优势,迄今为止,大多数铁磁自旋轨道转矩系统被发现在其运行速度上受到限制,主要是由于其固有的磁化动力学。一些研究表明,反铁磁和铁磁性材料,其中包含的原子群具有相反的磁矩,可以帮助克服这一限制,使更快的自旋动力学。

新加坡国立大学的一个研究小组已经对补偿铁磁体的自旋轨道转矩开关进行了多年的研究。在《自然电子》杂志最近发表的一项研究中,他们成功地在钴钆铁磁性合金器件中实现了超快SOT磁化开关。

“我们一直在研究各种磁性材料中的电流感应磁化开关,”开展这项研究的研究人员之一蔡开明告诉TechXplore。“我们最近的工作直接演示了CoGd铁磁设备中磁化开关的超快操作,并结合了低能耗。”

在他们之前的研究中,研究人员确定了铁磁体中发生的一系列典型物理现象。例如,他们发现,由于一种被称为负交换相互作用的特性,这些材料表现出增强的SOT效率。最近,领导该研究小组的杨玄洙(Hyunsoo Yang)和他的一些同事还观察到,在铁磁多层膜中,存在着长自旋相干长度和类似体积的扭矩特性。

“我们之前的工作突出了强电流感应力矩和高开关效率的铁磁体SOT设备,”杨说。“在我们的新研究中,我们想要揭示补偿铁磁体的高SOT效率背后的物理学原理。从应用角度出发,我们设计了一种基于铁磁体的亚纳秒低功耗存储器。

超快、节能开关是铁磁性材料的固有特性。杨和他的同事研究的材料中的反铁磁耦合的Co-Gd链接加速了自旋角动量的转移,这使得铁磁体SOT器件的切换速度更快。

研究人员使用频闪泵探测技术收集时间分辨的测量数据。这使得他们能够直接观察SOT随时间的切换动态,然后将其与铁磁材料中观察到的进行比较。

“在我们的实验中,我们能够直接测量脉冲电流持续时间和开关时间,”杨说。“在亚纳秒开关时间内,亚纳秒电流脉冲可以切换铁磁性器件。此外,我们还提取了SOT切换过程中的畴壁速度。

通过调整铁磁体合金的成分,杨和他的同事们能够将CoGd铁磁体器件的切换时间缩短到亚纳秒,实现域壁速度5.7 km/s。值得注意的是,这是迄今为止文献报道的室温下最高的电流诱导畴壁速度之一。

“同时减少现代存储设备的切换时间和功率现在是最重要的,”蔡说。“我们已经证明了亚纳秒的切换时间和能耗比传统的铁磁SOT系统低一到两个数量级。”

这些发现可能会对未来的研究和新设备的开发产生一些影响。事实上,除了为铁磁材料的SOT转换提供新的见解外,他们的工作还引入了一种新的超快、节能和极具前景的设备。

在未来,他们的研究中提出的设备可以用来设计非易失性存储器,这可能会取代当前许多cpu中使用的缓存存储器,最终为有效的内存计算应用铺平道路。考虑到类似的铁磁性材料在1998年被商业化用于磁光盘,并在21世纪初应用于十亿字节的规模,该设备可能被证明是一个可行的商业路径的记忆技术。

虽然杨和他们的同事进行的初步测试显示了他们的设备的潜力,但在大规模实施之前仍有几个问题需要解决。例如,在设备中启用确定性切换目前需要一个外部磁场,这极大地限制了它在SOT-磁阻随机访问存储器(MRAM)应用中的使用。

“消除外部磁场的必要性将是我们未来研究工作的关键方向之一,”杨说。这可以通过工程材料和设备结构来实现。与此同时,我们将致力于追求更快、更节能的转换,这将有助于我们实现SOT转换,时间尺度可以缩短到几十皮秒甚至几皮秒。”

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