In un articolo pubblicato su Nature Communications , un team internazionale guidato da ricercatori del gruppo Nanodevices del CIC nanoGUNE è riuscito a commutare la magnetizzazione e leggere in base alla tensione nanodispositivi spin-orbita magnetoelettrici. Questo studio costituisce una prova di principio di questi nanodispositivi, che sono gli elementi costitutivi della logica spin-orbita magnetoelettrica (MESO), aprendo una nuova strada per le tecnologie a bassa potenza oltre CMOS.
È stato proposto un percorso per la commutazione del magnetismo senza campi magnetici e basata sulla tensione utilizzando materiali magnetoelettrici che mostrano più di una delle proprietà ferroiche primarie nella stessa fase. Tra le diverse combinazioni possibili, si prevede che la coesistenza di ferroelettricità e ferromagnetismo consenta il controllo della magnetizzazione attraverso la commutazione della polarizzazione ferroelettrica con un campo elettrico.
In questa categoria, la ferrite di bismuto (BiFeO3 ) è stato il materiale più studiato, mostrando uno stretto accoppiamento tra ordini antiferromagnetici e ferroelettrici a temperatura ambiente.
La strada verso i dispositivi multiferroici è stata lunga e tortuosa, con scarsi risultati riportati. Tuttavia, si prevede che tali dispositivi possano ridurre le energie di scrittura della magnetizzazione fino alla gamma degli attojoule, un miglioramento di diversi ordini di grandezza rispetto ai dispositivi all'avanguardia basati sulla corrente.
Questa forza trainante ha portato alla recente proposta della logica MESO, suggerendo un nanodispositivo basato sullo spin adiacente a un multiferroico, in cui la magnetizzazione viene commutata esclusivamente con un impulso di tensione e viene letta elettricamente utilizzando fenomeni di conversione di corrente spin-carica (SCC).
Ora, un team di ricercatori ha dimostrato l’implementazione sperimentale di un tale dispositivo. Il team ha fabbricato nanodispositivi SCC su BiFeO3 e analizzato la reversibilità della magnetizzazione del CoFe ferromagnetico utilizzando una combinazione di microscopia a risposta piezoelettrica e a forza magnetica, dove lo stato di polarizzazione del BiFeO3 e la magnetizzazione del CoFe vengono visualizzate durante la commutazione.
I ricercatori hanno poi correlato questo con esperimenti SCC completamente elettrici in cui sono stati applicati impulsi di tensione per commutare il BiFeO3 , sono state misurate l'inversione della magnetizzazione del CoFe (scrittura) e diverse tensioni di uscita SCC a seconda della direzione della magnetizzazione (lettura).
I risultati pubblicati supportano la commutazione e la lettura della magnetizzazione basata sulla tensione in nanodispositivi a temperatura ambiente, abilitata dall'accoppiamento di scambio tra BiFeO3 multiferroico e CoFe ferromagnetico, per la scrittura, e SCC tra CoFe e Pt, per la lettura.
Mentre è necessario ulteriore lavoro in termini di controllabilità e riproducibilità della commutazione, in particolare per quanto riguarda le strutture ferroelettriche e magnetiche in BiFeO3 , questi risultati forniscono un passo avanti fondamentale verso il controllo della tensione della magnetizzazione nei magneti su scala nanometrica, essenziale per i futuri dispositivi logici e di memoria basati sullo spin a bassa potenza.
Ulteriori informazioni: Diogo C. Vaz et al, Commutazione e lettura della magnetizzazione basata sulla tensione in nanodispositivi spin-orbita magnetoelettrici, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45868-x
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