z
Chipet som producerats av IMEC för experimenten vid ETH. Tunnelkorsningarna som används för att mäta tidpunkten för magnetiseringsomkastningen är placerade i mitten (bild med tillstånd av IMEC). Upphovsman:IMEC 
Några år sedan, forskare visade att en viss fysisk effekt, vridmomentet i rotationsbanan, möjliggör särskilt snabb datalagring. Nu, Gambardellas grupp och IMEC i Belgien har temporärt löst den exakta dynamiken i en enda sådan lagringshändelse – och använt några knep för att göra det ännu snabbare.
Magnetisering med enstaka snurr
Att lagra data magnetiskt kräver invertering av magnetiseringsriktningen för en ferromagnetisk (dvs. permanent magnetiskt) material för att representera informationen som ett logiskt värde, noll eller ett. I äldre teknik, såsom magnetband eller hårddiskar, detta uppnåddes genom magnetiska fält som alstrades inuti strömförande spolar. Modern MRAM-teknik, däremot använder direkt spinn av elektroner, som strömmar direkt genom ett magnetiskt lager som en elektrisk ström. I Gambardellas experiment, elektroner med motsatta spinnriktningar separeras rumsligt av spin-omloppsinteraktionen. Detta, i tur och ordning, skapar ett effektivt magnetfält, som kan användas för att invertera magnetiseringsriktningen för en liten metallprick.
"Vi vet från tidigare experiment där vi stroboskopiskt skannade en enda magnetisk metallprick med röntgenstrålar att magnetiseringsreverseringen sker mycket snabbt, på ungefär en nanosekund, säger Eva Grimaldi, en post-doc i Gambardellas grupp. "Dock, dessa var medelvärden som medelvärden beräknades över många omkastningshändelser. Nu, vi ville veta exakt hur en sådan händelse äger rum och visa att den kan fungera på en industrikompatibel magnetisk minnesenhet."
Tidsupplösning genom en tunnelkorsning
Att göra så, forskarna ersatte den isolerade metallpunkten med en magnetisk tunnelkorsning. En sådan tunnelövergång innehåller två magnetiska skikt åtskilda av ett isoleringsskikt som bara är en nanometer tjockt. Beroende på spinnriktningen - längs magnetiseringen av de magnetiska lagren, eller mitt emot det – elektronerna kan mer eller mindre lätt tunnla genom det isolerande lagret. Detta resulterar i ett elektriskt motstånd som beror på inriktningen av magnetiseringen i ett skikt med avseende på det andra och representerar således noll och ett. Från tidsberoendet av det motståndet under en vändningshändelse, forskarna kunde rekonstruera den exakta dynamiken i processen. Särskilt, de fann att magnetiseringsomkastningen sker i två steg:ett inkubationssteg, under vilken magnetiseringen förblir konstant, och det faktiska reverseringsstadiet, som varar mindre än en nanosekund.
Små fluktuationer
"För en snabb och pålitlig minnesenhet, det är väsentligt att tidsfluktuationerna mellan de individuella reverseringshändelserna minimeras, " förklarar Gambardellas doktorand Viola Krizakova. Så baserat på deras data, forskarna utvecklade en strategi för att göra dessa fluktuationer så små som möjligt. För detta ändamål, de ändrade strömpulserna som användes för att styra magnetiseringsomkastningen på ett sådant sätt att två ytterligare fysiska fenomen introducerades. Det så kallade spin-överföringsmomentet, samt en kort spänningspuls under reverseringssteget, resulterade i en minskning av den totala tiden för vändningshändelsen till mindre än 0,3 nanosekunder, med tidsfluktuationer på mindre än 0,2 nanosekunder.
Applikationsfärdig teknologi
"Sammanfogar allt detta, vi har hittat en metod där data kan lagras i magnetiska tunnelkorsningar praktiskt taget utan några fel och på mindre än en nanosekund, " säger Gambardella. Dessutom, samarbetet med forskningscentret IMEC gjorde det möjligt att testa den nya tekniken direkt på en industrikompatibel wafer. Kevin Garello, en före detta post-doc från Gambardellas labb, producerade spånen som innehöll tunnelkontakterna för experimenten på ETH och optimerade materialen för dem. I princip, tekniken skulle, därför, vara omedelbart redo att användas i en ny generation av MRAM.
Gambardella betonar att MRAM-minne är särskilt intressant eftersom, till skillnad från konventionella SRAM eller DRAM, den förlorar inte information när datorn stängs av; på samma gång, det är lika snabbt som dessa tekniker. Dock, han medger att marknaden för MRAM-minne för närvarande inte kräver så höga skrivhastigheter eftersom andra tekniska flaskhalsar som effektförluster orsakade av stora kopplingsströmmar begränsar åtkomsttiderna. Sålänge, han och hans medarbetare planerar redan ytterligare förbättringar; de vill krympa tunnelkorsningarna och använda olika material som använder ström mer effektivt.
