La commutazione della magnetizzazione della coppia di spin-orbita (SOT) è un fenomeno indotto da una corrente di spin, che è a sua volta generato da una corrente di carica. Suscitare questo fenomeno potrebbe aiutare a manipolare la magnetizzazione nei dispositivi spintronici, potenzialmente aumentando le loro prestazioni.

Nonostante i loro potenziali vantaggi, finora, la maggior parte dei sistemi di coppia spin-orbita ferromagnetici sono risultati limitati nella loro velocità di funzionamento, principalmente a causa della loro intrinseca dinamica di magnetizzazione. Alcuni studi hanno suggerito che i materiali antiferromagnetici e ferrimagnetici, che contengono gruppi di atomi con momenti magnetici opposti, potrebbe aiutare a superare questo limite, consentendo dinamiche di spin più veloci.

Un team di ricerca presso la National University of Singapore ha condotto per diversi anni ricerche sulla commutazione di coppia spin-orbita nei ferrimagneti compensati. In un recente studio presentato in Elettronica della natura , hanno ottenuto con successo la commutazione della magnetizzazione SOT ultraveloce in dispositivi in ​​lega ferrimagnetica di cobalto-gadolinio (CoGd).

"Abbiamo lavorato sulla commutazione della magnetizzazione indotta dalla corrente in vari materiali magnetici, "Kiming Cai, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a TechXplore. "Il nostro lavoro recente dimostra direttamente l'operazione ultraveloce della commutazione della magnetizzazione in un dispositivo ferrimagnetico CoGd, combinato con un basso consumo energetico."

Nei loro studi precedenti, i ricercatori hanno identificato una serie di fenomeni fisici caratteristici che si verificano nei ferrimagneti. Ad esempio, hanno scoperto che questi materiali mostrano efficienze SOT migliorate a causa di una proprietà nota come interazione di scambio negativo. Più recentemente, Hyunsoo Yang, che ha guidato il gruppo di ricerca, e alcuni dei suoi colleghi hanno anche osservato una lunga lunghezza di coerenza di spin e caratteristiche di coppia simili alla massa in un multistrato ferrimagnetico.

"I nostri lavori precedenti hanno evidenziato forti coppie indotte dalla corrente e un'elevata efficienza di commutazione nei dispositivi SOT ferrimagnet, " Yang ha detto. "Nel nostro nuovo studio, volevamo svelare la fisica alla base dell'elevata efficienza SOT nei ferrimagneti compensati. Dal punto di vista applicativo, abbiamo progettato un sub-nanosecondo e una memoria a bassa potenza basata su ferrimagneti."

La commutazione ultraveloce ed efficiente dal punto di vista energetico è una proprietà intrinseca dei materiali ferrimagnetici. I collegamenti Co-Gd accoppiati antiferromagneticamente nel materiale studiato da Yang e dai suoi colleghi accelerano il trasferimento del momento angolare di spin, che si traduce in una commutazione più rapida per i dispositivi SOT ferrimagnet.

I ricercatori hanno raccolto misurazioni risolte nel tempo utilizzando una tecnica di sonda a pompa stroboscopica. Ciò ha permesso loro di osservare direttamente le dinamiche di commutazione SOT nel tempo, confrontandoli successivamente con quelli osservati nei materiali ferromagnetici.

"Nei nostri esperimenti, siamo stati in grado di misurare direttamente la durata della corrente impulsiva e il tempo di commutazione, " Yang ha detto. "I dispositivi ferrimagnetici possono essere commutati da un impulso di corrente inferiore al nanosecondo entro un tempo di commutazione inferiore al nanosecondo. Inoltre, abbiamo estratto la velocità della parete del dominio durante la commutazione SOT."

Accordando la composizione della lega ferrimagnet, Yang e i suoi colleghi sono stati in grado di ridurre il tempo di commutazione nel dispositivo ferrimagnetico CoGd a sub-nanosecondi, raggiungendo una velocità della parete del dominio di 5,7 km/s. Sorprendentemente, questa è una delle più alte velocità di parete del dominio indotte dalla corrente a temperatura ambiente riportate finora in letteratura.

"La riduzione simultanea del tempo di commutazione e della potenza nei moderni dispositivi di memoria è ora della massima importanza, "Ha detto Cai. "Abbiamo dimostrato un tempo di commutazione inferiore al nanosecondo e un consumo energetico che è di uno o due ordini di grandezza inferiore a quello dei sistemi SOT ferromagnetici convenzionali".

I risultati potrebbero avere diverse implicazioni, sia per la ricerca futura che per lo sviluppo di nuovi dispositivi. Infatti, oltre a fornire nuove informazioni sulla commutazione SOT nei materiali ferrimagnetici, il loro lavoro introduce un nuovo ultraveloce, dispositivo ad alta efficienza energetica e molto promettente.

Nel futuro, il dispositivo presentato nel loro studio potrebbe essere utilizzato per ideare memorie non volatili, che potrebbe potenzialmente sostituire le memorie cache utilizzate in molte CPU attuali, aprendo infine la strada a efficaci applicazioni di elaborazione in memoria. Considerando che materiali ferrimagnetici simili sono stati commercializzati per dischi magneto-ottici nel 1998 e applicati su scala gigabyte nei primi anni 2000, il dispositivo potrebbe rivelarsi una valida via commerciale per le tecnologie di memoria.

Mentre i test iniziali eseguiti da Yang e dai loro colleghi dimostrano il potenziale del loro dispositivo, diversi problemi devono ancora essere affrontati prima che possa essere implementato su larga scala. Ad esempio, l'abilitazione della commutazione deterministica nel dispositivo attualmente richiede un campo magnetico esterno, che limita notevolmente il suo utilizzo nelle applicazioni di memoria ad accesso casuale magnetoresistivo SOT (MRAM).

"Rimuovere la necessità del campo magnetico esterno sarà una delle direzioni chiave per il nostro futuro lavoro di ricerca, " Yang ha detto. "Questo può essere ottenuto da materiali di ingegneria e strutture del dispositivo. Nel frattempo, lavoreremo per perseguire una commutazione più rapida ed efficiente dal punto di vista energetico, che potrebbe aiutarci a realizzare la commutazione SOT con la scala temporale fino a decine di picosecondi o anche a diversi picosecondi".

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