Fig.1:Un diagramma schematico della memorizzazione delle informazioni utilizzando dispositivi spintronici convenzionali basati su ferromagneti (FM) (a sinistra) e dispositivi basati su antiferromagneti (AFM) proposti (a destra) (le frecce indicano i momenti magnetici). Nei dispositivi basati su FM (a sinistra), bit di informazione (stato "1" o "0") sono codificati nell'orientamento (rosso/su o blu/giù) dei momenti. La struttura compensata degli AFM (a destra) comporta vantaggi unici ponendo allo stesso tempo ostacoli significativi. Credito:Samik DuttaGupta e Shunsuke Fukami
La ricerca di paradigmi di elaborazione intelligente ad alta velocità (per big data e intelligenza artificiale) e il volume sempre crescente di informazioni digitali ha portato a un'intensificazione della domanda di dispositivi elettronici di nuova generazione ad alta velocità e basso consumo. Il mondo "dimenticato" degli antiferromagneti (AFM), una classe di materiali magnetici, offre una promessa nel futuro sviluppo di dispositivi elettronici e integra le attuali tecnologie spintroniche basate sul ferromagnete (Fig. 1).
Sfide formidabili per lo sviluppo di dispositivi spintronici funzionali basati su AFM sono la manipolazione elettrica ad alta velocità (registrazione), rilevamento (recupero), e garantire la stabilità delle informazioni registrate, il tutto in un sistema di materiale adatto all'industria dei semiconduttori.
Ricercatori dell'Università di Tohoku, Università del Nuovo Galles del Sud (Australia), ETH Zurigo (Svizzera), e Diamond Light Source (Regno Unito) hanno dimostrato con successo la commutazione indotta dalla corrente in un'eterostruttura antiferromagnetica metallica policristallina con elevata stabilità termica. I risultati stabiliti mostrano il potenziale per l'archiviazione delle informazioni e le tecnologie di elaborazione.
Il gruppo di ricerca ha utilizzato un'eterostruttura metallica AFM (PtMn)/metallo pesante (HM) a base di Mn, attraente per la sua significativa anisotropia antiferromagnetica e la sua compatibilità con l'elettronica a base di silicio PtMn (Fig. 2 (a)). La registrazione elettrica degli stati di resistenza (1 o 0) è stata ottenuta attraverso l'interazione spin-orbita dello strato HM; una corrente di carica nell'HM adiacente ha provocato coppie di spin-orbita che agiscono sull'AFM, portando a un cambiamento del livello di resistenza fino a un regime di microsecondi (Fig. 2 (b)).
Fig.2:(a) Un diagramma schematico della struttura dello stack sviluppata. (b) I risultati sperimentali della commutazione indotta da corrente della struttura AFM/HM PtMn/Pt sotto la corrente applicata JPt nello strato di Pt. La lettura degli stati antiferromagnetici è stata ottenuta misurando la resistenza di lettura in uscita (RHall). (c) La stabilità degli stati registrati (1 o 0) è stata studiata misurando RHall per diverse ore. L'area ombreggiata in rosso e blu corrisponde alla registrazione elettrica degli stati ad alta resistenza ("1") o bassa resistenza ("0"). (D), (e) Imaging magnetico a raggi X della struttura PtMn/Pt dopo l'applicazione di impulsi di corrente. Le aree bianche e nere dell'immagine indicano regioni di contrasto magnetico opposto, che rappresenta l'inversione dell'ordine antiferromagnetico. Credito:Samik DuttaGupta e Shunsuke Fukami
"Interessante, il grado di commutazione è controllabile dalla forza della corrente nel livello HM e mostra capacità di conservazione dei dati a lungo termine, " ha detto Samik Dutta Gupta, corrispondente autore dello studio (Fig. 2(c)). "I risultati sperimentali delle misurazioni elettriche sono stati integrati da una radiografia magnetica, aiutando a chiarire la natura reversibile delle dinamiche di commutazione localizzate all'interno di domini AFM di dimensioni nm." (Fig. 2 (d), (e)).
I risultati sono la prima dimostrazione della commutazione indotta dalla corrente di un AFM compatibile con l'industria fino al regime dei microsecondi nel campo della spintronica antiferromagnetica metallica. Questi risultati dovrebbero avviare nuove strade per la ricerca e incoraggiare ulteriori indagini verso la realizzazione di dispositivi funzionali che utilizzano AFM metallici per l'archiviazione delle informazioni e le tecnologie di elaborazione.
