Forskere opnår ultrahurtig drejningsmomentskift i spin-orbit i ferrimagnetiske enheder

Spin-orbit-drejningsmoment (SOT) magnetiseringsomskiftning er et fænomen fremkaldt af en spin-strøm, som igen genereres af en ladestrøm. Fremkaldelse af dette fænomen kan hjælpe med at manipulere magnetiseringen i spintronic -enheder, potentielt øger deres præstationer.

På trods af deres potentielle fordele, indtil nu, de fleste ferromagnetiske spin-orbit-drejningsmomentsystemer har vist sig at være begrænsede i deres driftshastighed, primært på grund af deres iboende magnetiseringsdynamik. Nogle undersøgelser antydede, at antiferromagnetiske og ferrimagnetiske materialer, som indeholder grupper af atomer med modsatrettede magnetiske øjeblikke, kunne hjælpe med at overvinde denne begrænsning, muliggør hurtigere spin -dynamik.

Et forskerhold ved National University of Singapore har forsket i flere år for at undersøge omskiftning af drejningsmoment i spin-orbit i kompenserede ferrimagneter. I en nylig undersøgelse vist i Naturelektronik , de opnåede med succes ultrahurtig SOT-magnetiseringsskift i ferrimagnetiske kobolt-gadolinium (CoGd) legeringsenheder.

"Vi har arbejdet med strøminduceret magnetiseringskifte i forskellige magnetiske materialer, "Kaiming Cai, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte TechXplore. "Vores nylige arbejde demonstrerer direkte den ultrahurtige funktion ved magnetiseringskontakt i en CoGd ferrimagnetisk enhed, kombineret med lavt energiforbrug. "

I deres tidligere undersøgelser, forskerne identificerede en række karakteristiske fysiske fænomener, der forekommer i ferrimagneter. For eksempel, de fandt ud af, at disse materialer udviser forbedrede SOT -effektiviteter på grund af en egenskab kendt som negativ udvekslingsinteraktion. For nylig, Hyunsoo Yang, der ledede forskergruppen, og nogle af hans kolleger observerede også en lang spin-kohærenslængde og bulklignende momentkarakteristika i et ferrimagnetisk flerlag.

"Vores tidligere værker fremhævede stærke strøminducerede drejningsmomenter og høj koblingseffektivitet i ferrimagnet SOT-enheder, "Sagde Yang." I vores nye undersøgelse, vi ønskede at afsløre den underliggende fysik ved den høje SOT -effektivitet i kompenserede ferrimagneter. Fra et applikationssynspunkt, Vi designede en sub-nanosekund og lav-effekt hukommelse baseret på ferrimagneter. "

Ultrahurtig og energieffektiv omskiftning er en iboende egenskab ved ferrimagnetiske materialer. De antiferromagnetisk koblede Co-Gd-links i materialet undersøgt af Yang og hans kolleger fremskynder spin-vinkelmomentoverførslen, hvilket resulterer i hurtigere skift til ferrimagnet SOT -enheder.

Forskerne indsamlede tidsopløste målinger ved hjælp af en stroboskopisk pumpesonde-teknik. Dette gav dem mulighed for direkte at observere SOT -skifte dynamik over tid, efterfølgende sammenligne dem med dem, der observeres i ferromagnetiske materialer.

"I vores forsøg vi var i stand til at måle pulsstrømens varighed og skiftetid direkte, "Yang sagde." De ferrimagnetiske enheder kan skiftes med en sub-nanosekund strømpuls inden for en sub-nanosekund koblingstid. Ud over, vi udtrak domænevæghastigheden under SOT -skift. "

Ved at indstille sammensætningen af ​​ferrimagnet -legeringen, Yang og hans kolleger var i stand til at reducere omskiftningstiden i den ferrimagnetiske CoGd-enhed til sub-nanosekunder, opnå en domænevægshastighed på 5,7 km/s. Bemærkelsesværdigt, dette er en af ​​de højeste strøminducerede domænevæghastigheder ved stuetemperatur rapporteret i litteraturen hidtil.

"Det er nu yderst vigtigt at reducere skiftetiden og strømmen i moderne hukommelsesenheder, "Cai sagde." Vi har demonstreret en skiftetid for sub-nanosekund og energiforbrug, der er en til to størrelsesordener lavere end konventionelle ferromagnetiske SOT-systemer. "

Resultaterne kan have flere konsekvenser, både til fremtidig forskning og til udvikling af nye enheder. Faktisk, ud over at give ny indsigt om SOT -skift i ferrimagnetiske materialer, deres arbejde introducerer en ny ultrahurtig, energieffektiv og meget lovende enhed.

I fremtiden, den enhed, der blev præsenteret i deres undersøgelse, kunne bruges til at udtænke ikke-flygtige minder, som potentielt kan erstatte cache -hukommelser, der bruges i mange nuværende CPU'er, i sidste ende baner vejen for effektive in-memory computing-applikationer. I betragtning af at lignende ferrimagnetiske materialer blev kommercialiseret til magneto-optiske diske i 1998 og anvendt på en gigabyte skala i begyndelsen af ​​2000'erne, enheden kan vise sig at være en levedygtig kommerciel rute for hukommelsesteknologier.

Mens de første tests, der blev kørt af Yang og deres kolleger, demonstrerer potentialet i deres enhed, flere spørgsmål mangler stadig at blive behandlet, før det kan implementeres i stor skala. For eksempel, muliggørelse af deterministisk kobling i enheden kræver i øjeblikket et eksternt magnetfelt, hvilket i høj grad begrænser dets anvendelse i SOT- magnetoresistive random access memory (MRAM) applikationer.

"Fjernelse af nødvendigheden af ​​det eksterne magnetfelt vil være en af ​​nøgleretningerne for vores fremtidige forskningsarbejde, "Sagde Yang." Dette kan opnås ved konstruktionsmaterialer og enhedskonstruktioner. I mellemtiden, vi vil arbejde på at forfølge hurtigere og mere energieffektiv omstilling, som kunne hjælpe os med at indse, at SOT skifter med tidsskalaen ned til titusinder af picosekunder eller endda flere picosekunder. "

© 2020 Science X Network