Magnetic Random Access Memory (MRAM)-teknologi erbjuder betydande potential för nästa generations universella minnesarkitektur. Men de senaste MRAM-minnena är fortfarande i grunden begränsade av en hastighetsbegränsning på under nanosekunder, vilket har förblivit en långvarig vetenskaplig utmaning inom forskning och utveckling av spintronik. I detta dubbeldoktorsprojekt demonstrerade Luding Wang experimentellt en fullt fungerande picosecond opto-MRAM-byggblocksenhet, genom att integrera ultrasnabb fotonik med spintronik.

MRAM-utvecklingsflaskhalsar

Har du någonsin upplevt en oväntad avstängning av din dator och förlorat dokument i processen som du har arbetat i timmar? Magnetic Random Access Memory (MRAM)-teknik fokuserar på att manipulera elektronspin för att hantera en sådan teknisk glitch. Inuti MRAM-bitar skrivs data genom att byta riktning på nanomagneter. Således tillåter MRAM data att sparas på ett varaktigt sätt när strömmen är avstängd, datorer startar snabbare och enheterna förbrukar mindre ström.

Under de senaste 25 åren har två stora generationer av MRAM uppfunnits och släppts på marknaden. De tidigaste MRAM:erna använder ett magnetfält för att skriva bitarna, medan toppmoderna MRAM:er implementerar en spin-strömbaserad metod. Dataskrivningsprocessen för dessa MRAM har dock hindrats av en långvarig utmaning:hastigheten är begränsad till nanosekundregimen och förbrukar mycket ström.

Ultrasnabb fotonikintegration

I denna avhandling integrerar Luding Wang från forskargruppen Physics of Nanostructures vid institutionen för tillämpad fysik en snabb utveckling inom området ultrasnabb fotonik, femtosekund (fs) laser:de snabbaste stimuli kommersiellt tillgängliga för mänskligheten för att bryta nanosekundhastighetsbegränsningen , och i processen gör den tusen gånger mer energieffektiv.

I detta dubbla doktorsprojekt har forskare från Eindhovens tekniska universitet (TU/e) under ledning av prof. dr. Bert Koopmans, och Fert Beijing Institute of Beihang University under ledning av prof. dr. Weisheng Zhao, har visat det första proof of concept för detta spintroniska-fotoniska minne med hjälp av ett tvärvetenskapligt tänkesätt.

Hybrid optiskt-MRAM-minne

Inspirerad av femtosekundlaserinducerade all-optical switching (AOS)-scheman i syntetiska ferrimagnetiska flerskikt som upptäcktes av TU/e ​​2017, har integrering av den med MRAM-bit dykt upp som en konkurrenskraftig väg mot nästa generations MRAM-design. Från sin Ph.D. forskning, rapporterar Wang om designen och karakteriseringen av en sådan "hybrid" opto-minne enhet, myntade en opto-MRAM bitcell. Han visar en världsrekord skrivhastighet på 20 pikosekunder (ps), vilket är 1–2 storleksordningar bortom dagens toppmoderna MRAM, med en förbättrad energieffektivitet (≈ 100 femtojoule för att byta en 50×50 nm2 bit).

Detta första steg mot utvecklingen av ett "opto-MRAM" är en mycket lovande start mot ett unikt icke-flyktigt fotoniskt minne. Det möjliggör en direkt omvandling av optisk information till magnetisk information, utan energikostsamma elektroniska konverteringssteg däremellan. Dessutom representerar de experimentella resultaten ett viktigt framsteg för att stimulera ytterligare grundläggande vetenskapliga studier som kombinerar områdena spintronik och fotonik. + Utforska vidare

Demonstration av höghastighets SOT-MRAM-minnescell kompatibel med 300 mm Si CMOS-teknik