Spin-orbit torque (SOT) magnetiseringsomkoppling är ett fenomen som induceras av en spinnström, som i sin tur genereras av en laddningsström. Att framkalla detta fenomen kan hjälpa till att manipulera magnetiseringen i spintroniska enheter, potentiellt öka deras prestanda.

Trots deras potentiella fördelar, än så länge, de flesta ferromagnetiska spin-orbit vridmomentsystem har visat sig vara begränsade i sin arbetshastighet, främst på grund av deras inneboende magnetiseringsdynamik. Vissa studier antydde att antiferromagnetiska och ferrimagnetiska material, som innehåller grupper av atomer med motsatta magnetiska moment, kan hjälpa till att övervinna denna begränsning, möjliggör snabbare spindynamik.

Ett forskarlag vid National University of Singapore har under flera år bedrivit forskning som undersöker spin-orbit vridmomentomkoppling i kompenserade ferrimagneter. I en nyligen genomförd studie presenterad i Nature Electronics , de uppnådde framgångsrikt ultrasnabb SOT-magnetiseringsväxling i ferrimagnetiska kobolt-gadolinium (CoGd) legeringar enheter.

"Vi har arbetat med ströminducerad magnetiseringsomkoppling i olika magnetiska material, "Kaiming Cai, en av forskarna som genomförde studien, berättade för TechXplore. "Vårt senaste arbete visar direkt den ultrasnabba driften av magnetiseringsväxling i en CoGd ferrimagnetisk enhet, i kombination med låg energiförbrukning."

I sina tidigare studier, forskarna identifierade en serie karakteristiska fysiska fenomen som förekommer i ferrimagneter. Till exempel, de fann att dessa material uppvisar förbättrad SOT -effektivitet på grund av en egenskap som kallas negativ växelverkan. På senare tid, Hyunsoo Yang, som ledde forskargruppen, och några av hans kollegor observerade också en lång centrifugeringslängd och bulkliknande vridmomentegenskaper i ett ferrimagnetiskt flerskikt.

"Våra tidigare arbeten lyfte fram starka ströminducerade vridmoment och hög omkopplingseffektivitet i ferrimagnet SOT-enheter, " sade Yang. "I vår nya studie, vi ville avslöja den underliggande fysiken för den höga SOT-effektiviteten i kompenserade ferrimagneter. Ur applikationssynpunkt, vi designade ett undernanosekund och lågeffektsminne baserat på ferrimagneter."

Ultrasnabb och energieffektiv omkoppling är en inneboende egenskap hos ferrimagnetiska material. De antiferromagnetiskt kopplade Co-Gd-länkarna i materialet som undersökts av Yang och hans kollegor påskyndar spinnvinkelmomentöverföringen, vilket resulterar i snabbare omkoppling för ferrimagnet SOT-enheter.

Forskarna samlade in tidsupplösta mätningar med en stroboskopisk pump-sondteknik. Detta gjorde det möjligt för dem att direkt observera SOT-växlingsdynamiken över tiden, jämför dem sedan med de som observerats i ferromagnetiska material.

"I våra experiment, vi kunde mäta pulsströmens varaktighet och kopplingstid direkt, "Yang sa. "De ferrimagnetiska enheterna kan kopplas om av en sub-nanosekund strömpuls inom en sub-nanosekunds omkopplingstid. Dessutom, vi extraherade domänväggens hastighet under SOT-växling."

Genom att justera sammansättningen av ferrimagnetlegeringen, Yang och hans kollegor kunde minska kopplingstiden i den ferrimagnetiska CoGd-enheten till sub-nanosekunder, uppnå en domänväggshastighet på 5,7 km/s. Anmärkningsvärt, detta är en av de högsta ströminducerade domänväggshastigheterna vid rumstemperatur som hittills rapporterats i litteraturen.

"Att samtidigt minska kopplingstiden och kraften i moderna minnesenheter är nu av yttersta vikt, "Cai sa." Vi har visat en omkopplingstid för sub-nanosekund och energiförbrukning som är en till två storleksordningar lägre än konventionella ferromagnetiska SOT-system. "

Resultaten kan ha flera konsekvenser, både för framtida forskning och för utveckling av nya enheter. Faktiskt, förutom att ge ny insikt om SOT-växling i ferrimagnetiska material, deras arbete introducerar en ny ultrasnabb, energieffektiv och mycket lovande enhet.

I framtiden, enheten som presenterades i deras studie skulle kunna användas för att skapa icke-flyktiga minnen, som potentiellt kan ersätta cacheminnen som används i många nuvarande processorer, i slutändan banar väg för effektiva in-memory computing-applikationer. Med tanke på att liknande ferrimagnetiska material kommersialiserades för magnetoptiska skivor 1998 och användes i gigabyteskala i början av 2000-talet, enheten kan visa sig vara en gångbar kommersiell väg för minnesteknik.

Medan de första testerna som kördes av Yang och deras kollegor visar potentialen hos deras enhet, flera frågor måste fortfarande behandlas innan de kan implementeras i stor skala. Till exempel, för att möjliggöra deterministisk omkoppling i enheten kräver för närvarande ett externt magnetfält, vilket avsevärt begränsar dess användning i SOT-magnetoresistive random access memory (MRAM) applikationer.

"Att ta bort behovet av det externa magnetfältet kommer att vara en av nyckelriktningarna för vårt framtida forskningsarbete, " sade Yang. "Detta kan uppnås genom tekniska material och enhetsstrukturer. Under tiden, vi kommer att arbeta med att driva snabbare och mer energieffektiva byten, som kan hjälpa oss att förverkliga SOT-växling med tidsskalan ner till tiotals pikosekunder eller till och med flera pikosekunder."

© 2020 Science X Network