Credito:Pohang University of Science &Technology (POSTECH)
I ricercatori della Pohang University of Science and Technology (POSTECH) e della Seoul National University in Corea del Sud hanno dimostrato un nuovo modo per migliorare l'efficienza energetica di un dispositivo di memoria magnetica non volatile chiamato SOT-MRAM. Pubblicato in Materiale avanzato , questa scoperta apre una nuova finestra di entusiasmanti opportunità per future memorie magnetiche efficienti dal punto di vista energetico basate sulla spintronica.
Nei computer moderni, la memoria ad accesso casuale (RAM) viene utilizzata per memorizzare le informazioni. La SOT-MRAM (spin-orbit torque magnetic RAM) è uno dei principali candidati per le tecnologie di memoria di nuova generazione che mirano a superare le prestazioni di varie RAM esistenti. La SOT-MRAM può funzionare più velocemente della RAM più veloce esistente (SRAM) e mantenere le informazioni anche dopo che l'alimentazione elettrica è stata disattivata, mentre tutte le RAM veloci esistenti oggi perdono informazioni non appena l'alimentazione viene disattivata. Il livello attuale della tecnologia SOT-MRAM non è soddisfacente, però, a causa della sua elevata richiesta di energia; richiede una grande fornitura di energia (o una grande corrente) per scrivere informazioni. Ridurre la domanda di energia e migliorare l'efficienza energetica è un problema eccezionale per la SOT-MRAM.
Nella SOT-MRAM, le direzioni di magnetizzazione di minuscoli magneti memorizzano informazioni e quantità di scrittura per modificare le direzioni di magnetizzazione nelle direzioni desiderate. Il cambio di direzione di magnetizzazione è ottenuto da uno speciale fenomeno fisico chiamato SOT che modifica la direzione di magnetizzazione quando viene applicata una corrente. Per aumentare l'efficienza energetica, i magneti morbidi sono la scelta del materiale ideale per i piccoli magneti poiché le loro direzioni di magnetizzazione possono essere facilmente alterate da una piccola corrente. I magneti morbidi sono una cattiva scelta per l'archiviazione sicura delle informazioni poiché la loro direzione di magnetizzazione può essere alterata anche quando non è prevista, a causa del rumore termico o di altri disturbi. Per questa ragione, la maggior parte dei tentativi di costruire la SOT-MRAM adotta magneti duri, perché magnetizzano molto fortemente e la loro direzione di magnetizzazione non è facilmente alterata dal rumore. Ma questa scelta del materiale rende inevitabilmente scarsa l'efficienza energetica della SOT-MRAM.
Rappresentazione schematica del prototipo di memoria non volatile basata su Fe3GeTe2. Fe3GeTe2 è un ferromagnete, dove i suoi giri (piccole frecce bianche) si allineano nella stessa direzione. L'orientamento degli spin definisce 1 o 0 bit binari. a) Stato iniziale, dove viene registrata l'informazione 0. b) Per scrivere nuove informazioni, viene applicata una piccola corrente (freccia arancione), che cambia il materiale da un magnete duro a un magnete morbido in modo che le informazioni memorizzate possano essere facilmente modificate (ad esempio, da 0 a 1). c) Una volta tolta la corrente, il materiale si trasforma di nuovo in un magnete duro, e le informazioni 1 scritte nella fase b) possono essere mantenute a lungo senza alcuna alimentazione esterna, rendendolo una memoria non volatile. Credito:POSTECH &SNU
Un gruppo di ricerca congiunto guidato dal Professor Hyun-Woo Lee nel Dipartimento di Fisica del POSTECH e dal Professor Je-Geun Park nel Dipartimento di Fisica della Seoul National University (ex direttore associato del Centro per i sistemi di elettroni correlati all'interno dell'Istituto per le scienze di base in Corea), ha dimostrato un modo per migliorare l'efficienza energetica senza sacrificare la domanda di stoccaggio sicuro. Hanno riferito che il tellururo di ferro germanio ultrasottile (Fe 3 GeTe 2 , FGT), un materiale ferromagnetico con simmetria geometrica speciale e proprietà quantistiche, passa da un magnete duro a un magnete morbido quando viene applicata una piccola corrente. Pertanto, quando non è prevista la scrittura di informazioni, il materiale rimane un magnete duro, che è buono per lo stoccaggio sicuro, e solo quando si intende scrivere, il materiale passa a un magnete morbido, consentendo una maggiore efficienza energetica.
"Le proprietà intriganti dei materiali stratificati non smettono mai di stupirmi:la corrente attraverso FGT induce un tipo molto insolito di coppia spin-orbita (SOT), che modifica il profilo energetico di questo materiale per trasformarlo da magnete duro a magnete morbido. Questo è in netto contrasto con il SOT prodotto da altri materiali, che può cambiare la direzione di magnetizzazione ma non può trasformare un magnete duro in un magnete morbido, " spiega il professor Lee.
Gli esperimenti del gruppo del professor Park hanno rivelato che questo dispositivo di memoria magnetica basato su FGT è altamente efficiente dal punto di vista energetico. In particolare, la grandezza misurata di SOT per densità di corrente applicata è di due ordini di grandezza maggiore dei valori riportati in precedenza per altri materiali candidati per la SOT-MRAM.
Il prototipo realizzato con il metallo ferromagnetico Fe3GeTe2 (FGT, rosso) ha un gigantesco SOT la cui effettiva intensità del campo magnetico è due ordini di grandezza più grande di altri prototipi SOT-MRAM. I ricercatori hanno misurato un'effettiva intensità del campo magnetico dovuta al SOT pari a circa 50 Oersted per una piccola densità di corrente di 1 mA/μm2. I materiali ferromagnetici allineano i loro spin nella stessa direzione al di sotto della temperatura di Curie (Tc). Credito:POSTECH &SNU
"Il controllo degli stati magnetici con una piccola corrente è essenziale per la prossima generazione di dispositivi ad alta efficienza energetica. Questi saranno in grado di memorizzare maggiori quantità di dati e consentire un accesso ai dati più rapido rispetto alle memorie elettroniche di oggi, consumando meno energia, " nota il dottor Kaixuan Zhang che è un caposquadra nel gruppo del professor Park, interessato a studiare l'applicazione della fisica quantistica correlata nei dispositivi spintronici.
"I nostri risultati aprono un'affascinante strada di modulazione elettrica e applicazioni spintroniche utilizzando materiali magnetici a strati 2-D, "chiuse il professor Lee.
