L'aumento di temperatura dovuto al riscaldamento Joule è potenziato dalla resistenza termica interfacciale all'interfaccia tra il magnete metallico (strato libero) e l'isolante perché la dissipazione del calore è soppressa. L'aumento della temperatura modifica la direzione del polo magnetico dello strato libero (freccia rossa). La freccia nera rappresenta la direzione del polo magnetico dello strato fisso. Credito:Università di Osaka, Istituto Nazionale di Scienze e Tecnologie Industriali Avanzate, e Università di Grenoble Alpes
Ricercatori dell'Università di Osaka, in collaborazione con l'Istituto Nazionale di Scienze e Tecnologie Industriali Avanzate (AIST) e l'Università di Grenoble Alpes, riportano una tecnica efficiente per controllare la direzione di un magnete di dimensioni nanometriche mediante riscaldamento ad alta velocità. I ricercatori hanno anche scoperto che i nanomagneti amplificano i segnali a microonde. I risultati di questo gruppo contribuiranno a ridurre il consumo energetico dei dispositivi di memoria ad accesso casuale magnetoresistivo (MRAM) e di intelligenza artificiale (AI). Ciò consentirà ai dispositivi AI di leggere e scrivere nella loro memoria in modo più efficiente, sopprimendo così il consumo energetico delle funzioni AI come l'apprendimento automatico e il processo decisionale. Questo è un altro passo verso il raggiungimento di una società super-intelligente.
Ridurre il consumo energetico dei dispositivi di informazione e comunicazione significa che potrebbero continuare a funzionare a lungo, anche in tempi di calamità. La spintronica è un campo ampiamente ricercato in cui la tecnologia MRAM è stata sviluppata utilizzando giunzioni magnetiche a tunnel (MTJ). MRAM utilizza la direzione di un polo magnetico per memorizzare informazioni, in modo che possa conservare la memoria senza alimentazione in standby. Utilizzando queste tecnologie, i ricercatori hanno cercato di ridurre il consumo energetico dei dispositivi di intelligenza artificiale.
Controllando l'allineamento magnetico di un MTJ utilizzando una piccola corrente e tensione, è possibile ridurre il consumo energetico del dispositivo. Tuttavia, il problema per la MRAM con coppia di trasferimento di spin (STT-MRAM) è che la sua tensione aumenta rapidamente quando la sua velocità di scrittura è elevata, usando una grande quantità di potere.
Il gruppo di ricerca ha scoperto che è possibile scrivere informazioni utilizzando meno energia rispetto a STT-MRAM modificando l'anisotropia magnetica in un MTJ controllando la tensione applicata. Per rendere pratico questo metodo, è necessario aumentare l'entità dell'anisotropia magnetica controllata dalla tensione. Oltre a trovare materiali adeguati, sono stati cercati altri metodi per cambiare l'anisotropia magnetica.
Dipendenza dalla tensione continua dell'anisotropia del polo magnetico dello strato libero. I quadrati pieni e aperti rappresentano la direzione di scansione della tensione. La linea rossa è l'adattamento dei dati. Le linee tratteggiate gialle e blu rappresentano le componenti lineare e quadratica del raccordo, rispettivamente. Il primo è il cambiamento di anisotropia magnetica lineare indotto dalla tensione convenzionale, e quest'ultimo è il cambiamento di anisotropia magnetica indotto dal riscaldamento di Joule. Credito:Università di Osaka, Istituto Nazionale di Scienze e Tecnologie Industriali Avanzate, e Università di Grenoble Alpes
I ricercatori sono riusciti a indurre un gigantesco cambiamento di anisotropia magnetica in un MTJ con strati a doppio isolante mediante riscaldamento Joule. All'aumentare della temperatura nello strato metallico (libero) di un MTJ, cambiamenti di anisotropia magnetica, quindi diventa possibile cambiare la direzione di un polo magnetico. Hanno scoperto che l'anisotropia magnetica dipendeva dalla tensione di polarizzazione dovuta al riscaldamento Joule. Ciò mostra che l'aumento di temperatura indotto dal riscaldamento Joule ha modificato l'anisotropia magnetica. Quando i ricercatori hanno valutato il valore massimo della variazione di anisotropia magnetica per un dato campo elettrico, la dimensione dell'effetto termico era 300 fJ/Vm, che era quasi uguale al valore massimo riportato del controllo di tensione veloce dell'anisotropia magnetica (VCMA) utilizzando un puro effetto elettronico. Sebbene la corrente dell'effetto termico sia molto maggiore rispetto a VCMA, è più efficiente di STT per applicazioni ad alta velocità. Inoltre, questo valore aumenterà migliorando il sistema di riscaldamento in un MTJ.
Il gruppo di ricerca ha anche scoperto che un microonde è stato amplificato da un MTJ usando il gigantesco cambiamento di anisotropia magnetica. L'amplificazione a microonde era stata precedentemente tentata utilizzando un campo magnetico a frequenza di microonde; però, la potenza delle microonde ottenuta con i metodi convenzionali era 0,005, e non c'era amplificazione. Il gruppo ha raggiunto una riflettività della potenza delle microonde di 1,6 con un campo magnetico di 50 mT e una frequenza delle microonde di 0,4 GHz; questo è, il microonde è stato amplificato di circa il 60 percento rispetto al microonde in ingresso.
Schema dell'amplificazione delle microonde (a sinistra) e della dipendenza dal campo magnetico degli spettri di riflettività della potenza delle microonde (a destra). La microonde riflessa viene amplificata dalla tensione continua (V dc ) MTJ di parte. Nel nostro esperimento, abbiamo ottenuto una riflettività della potenza delle microonde superiore a 1,6 sotto un campo magnetico esterno di 50 mT e una frequenza di 0,4 GHz. Credito:Università di Osaka, Istituto Nazionale di Scienze e Tecnologie Industriali Avanzate, e Università di Grenoble Alpes
Il primo autore Minori Goto dice, "Il nostro studio è il primo rapporto sull'amplificazione a microonde che utilizza dispositivi spintronici. Questa ricerca aprirà la strada allo sviluppo di dispositivi a microonde ad alte prestazioni. Andando avanti, prevediamo che la nostra tecnologia verrà applicata ai nuovi dispositivi a microonde con elevata sensibilità e alto rendimento. Ciò contribuirà anche alla tecnologia a basso consumo energetico per MRAM e hardware AI".
