Een magnetische tunnelovergang met vier toestanden voor nieuwe spintronica-toepassingen

Een tunnelovergang is een apparaat dat bestaat uit twee geleidende lagen gescheiden door een isolatielaag. Klassiek is de weerstand voor het sturen van stroom over een isolatielaag oneindig; Als de isolatielaag echter dun is (~ 1-2 nanometer), kunnen ladingdragers door de isolatielaag tunnelen vanwege hun kwantumkarakter. Wanneer de geleidende lagen magnetisch zijn, wordt een magnetische tunnelovergang (MTJ) verkregen, waarvan de weerstand afhangt van de magnetische configuraties. Huidige MTJ’s hebben slechts twee weerstandstoestanden omdat ze parallelle of antiparallelle magnetische configuraties van de twee magnetische lagen ondersteunen. De tweestaten-MTJ speelt een centrale rol in spintronica, een tak van elektronica die het magnetische moment gebruikt dat is gekoppeld aan de spin van het elektron, naast de elektronenlading die wordt gebruikt in traditionele elektronica. Zo is de tweestaten-MTJ bijvoorbeeld de belangrijkste bouwsteen van het magnetische random access memory (MRAM).

Nu hebben onderzoekers van de afdeling Fysica en het Instituut voor Nanotechnologie en Geavanceerde Materialen van de Bar-Ilan Universiteit, samen met een groep van Instituto Superior Tecnico (IST), Universidade de Lisboa en INESC Microsystems and Nanotechnologies, een nieuw type MTJ geïntroduceerd met vier resistentie toestanden, en met succes aangetoond schakelen tussen de staten met spinstromen. Het grotere aantal toestanden wordt bereikt door een van de magnetische lagen te vervangen door een structuur in de vorm van twee kruisende ellipsen.

“Omdat onlangs is aangetoond dat structuren in de vorm van N-kruisende ellipsen twee tot de macht van 2N-toestanden kunnen ondersteunen, kunnen de huidige resultaten de weg effenen voor MTJ’s met een veel groter aantal weerstandstoestanden”, zegt prof.Lior Klein, Voorzitter van de afdeling natuurkunde van de Bar-Ilan University, die de Bar-Ilan-groep leidde, waaronder Dr. Shubhankar Das, Ariel Zaig en Dr. Moty Schultz. Prof. Susana Cardoso leidde de groep van Instituto Superior Tecnico (IST), Universidade de Lisboa en INESC Microsystems and Nanotechnologies, samen met Dr. Diana C. Leitao. “Zulke MTJ’s kunnen nieuwe spintronica-apparaten mogelijk maken, bijvoorbeeld MRAM op meerdere niveaus die gegevens veel dichter opslaat, of neuromorf geheugen dat de kunstmatige intelligentie-uitdagingen aangaat bij het uitvoeren van cognitieve taken”, voegt Klein toe.