Эффект переключения нулевого поля в наномагнитном устройстве

Неожиданное явление, известное как переключение нулевого поля (ZFS), может привести к уменьшению памяти с меньшим энергопотреблением и вычислительным устройствам, чем это возможно в настоящее время.

На рисунке изображено покрытие платины (Pt), вольфрама (W) и магнита из кобальта-железа-бора (CoFeB), зажатого на концах золотыми (Au) электродами на поверхности кремния (Si). Серые стрелки показывают общее направление электрического тока, подающегося в конструкцию в задней части золотого (Au) контакта, и выход из передней контактной площадки для золота.

Слой CoFeB представляет собой магнит нанометровой толщины, в котором хранится бит данных. «1» соответствует намагничиванию CoFeB, направленному вверх (стрелка вверх), а «0» представляет намагниченность, указывающую вниз (стрелка вниз). «0» или «1» можно считывать как электрически, так и оптически, поскольку намагниченность изменяет отражательную способность света, светящегося на материале, через другое явление, известное как магнитооптический эффект Керра (MOKE).

В устройстве электрический ток может переворачивать состояние данных между 0 и 1. Предыдущие устройства этого типа также требовали магнитного поля или других более сложных мер для изменения намагничивания материала. Эти более ранние устройства не очень полезны для создания стабильных энергонезависимых запоминающих устройств.

Прорыв произошел в исследовательском сотрудничестве между Университетом Джона Хопкинса и NIST. Команда ученых обнаружила, что они могут плавно перемагничивать намагниченность CoFeB между состояниями 0 и 1, посылая только электрический ток через слои Pt и W металла, смежные с наномагнетиком CoFeB. Им не требовалось магнитного поля. Этот эффект переключения ZFS (нулевого поля) был неожиданностью и теоретически не был предсказан.

В своей работе исследователи создали особый вид электрического тока, известный как «спиновый» ток. Электроны, несущие электрический ток, обладают свойством, известным как спин, который можно представить в виде стержневого магнита, указывающего в определенном направлении через электрон. Все более активно эксплуатируется в появляющемся поле, известном как «спинтроника», спиновый ток — это просто электрический ток, в котором спины электронов указывают в одном направлении.

По мере прохождения электрона через материал взаимодействие между его спином и его движением (называемое круговым вращательным моментом, SOT) создает спиновый ток, когда электроны с одним спиновым состоянием движутся перпендикулярно току в одном направлении, а электроны с противоположным спином движутся в противоположном направлении.

Полученные спины, которые перемещаются рядом с магнитным слоем CoFeB, оказывают крутящий момент на этот слой, вызывая его намагничивание. Без спинового тока намагниченность CoFeB устойчива к любым флуктуациям тока и температуры. Этот неожиданный эффект ZFS ставит перед теоретиками новые вопросы о лежащем в основе механизма наблюдаемого явления переключения SOT.

Подробная информация о крутящем моменте спина показана на диаграмме. Фиолетовые стрелки показывают спины электронов в каждом слое. Синяя изогнутая стрелка показывает направление, в котором откручиваются спины этого типа. (Например, в слое W электроны со спином слева в плоскости ху пересекаются, чтобы двигаться вверх к CoFeB, а спины электронов вправо отклоняются вниз к Pt.) Обратите внимание на электронные спины в Pt со спином вправо (в плоскости xy), они отклоняются, чтобы двигаться вверх к W, а спины электронов со спином влево отклоняются, чтобы двигаться вниз к Si.

Это противоположно направлению, в котором движутся электронные спины в W, и это связано с различиями в SOT, испытываемыми электронами, движущимися через Pt и движущимися через W. На самом деле именно эта разница в способе движения электронов каждого из этих двух проводников, может иметь важное значение для обеспечения необычного эффекта ZFS.

Исследовательская группа, включая ученых NIST Даниэля Гопмана, Роберта Шэлла и  Юрия Кабанова и исследователей Университета Джона Хопкинса Цинли Ма, Юфан Ли и профессора Чиа-Линга Цзяна, сообщают о своих результатах в Physical Review Letters.

Текущие исследования направлены на выявление других перспективных материалов, которые позволяют переключать нулевой полюс одного перпендикулярного наномагнетика, а также определять, как изменяется поведение ZFS для наномагнетиков, обладающих меньшими боковыми размерами, и разработки теоретической основы этого неожиданного явления переключения.

Больше информации: Qinli Ma et al, Switching a Perpendicular Ferromagnetic Layer by Competing Spin Currents, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.117703