Wetenschappers ontwikkelen de volgende generatie zeer efficiënte geheugenmaterialen met controle op atoomniveau

Net als het fladderen van de vleugels van een vlinder kunnen kleine en minuscule veranderingen soms leiden tot grote en onverwachte resultaten en veranderingen in ons leven. Een team van onderzoekers van de Pohang Universiteit voor Wetenschap en Technologie (POSTECH) heeft een zeer kleine verandering doorgevoerd om een ​​materiaal te ontwikkelen dat ‘spin-orbit koppel (SOT)’ wordt genoemd, wat een populair onderwerp is in de volgende generatie DRAM-geheugen.

Dit onderzoeksteam, geleid door professor Daesu Lee en Yongjoo Jo, een Ph.D. kandidaat, van het Departement Natuurkunde en professor Si-Young Choi van het Departement Materiaalwetenschappen en Techniek van POSTECH, bereikten zeer efficiënte veldvrije SOT-magnetisatieschakeling door middel van controle op atoomniveau van composietoxiden. Hun bevindingen waren gepubliceerd in Nano-brieven.

SOT ontstaat door de interactie tussen de spin (magnetische eigenschap) en beweging (elektrische eigenschap) van elektronen. Dit fenomeen regelt de magnetische toestand door de beweging van spin wanneer er stroom vloeit. Door magnetische informatie te gebruiken in plaats van elektrische informatie, wordt het geheugenstroomverbruik verminderd, wat het voordelig maakt voor niet-vluchtig geheugen dat informatie behoudt, zelfs wanneer het is uitgeschakeld.

Onderzoekers hebben actief verschillende materialen onderzocht, waaronder halfgeleiders en metalen voor deze toepassingen. Er is vooral veel belangstelling voor het ontdekken van materialen die zowel magnetisme als het ‘spin-Hall-effect’ vertonen.

De studie van efficiënte magnetisatieschakeling via SOT’s heeft veel aandacht gekregen. Er blijft echter een uitdaging bestaan: tegengestelde spinstromen die binnen één enkele laag worden gegenereerd, hebben de neiging elkaar op te heffen.

In deze studie hebben de professoren Daesu Lee en Si-Young Choi van POSTECH het probleem aangepakt door de ogenschijnlijk onbelangrijke structuur van het materiaal systematisch te wijzigen. Strontiumruthenaat (SrRuO₃), een complex oxide dat bekend staat om het vertonen van zowel magnetisme als spin-Hall-effecten, is op grote schaal gebruikt in SOT-onderzoek.

Het team synthetiseerde SrRuO₃ met asymmetrische spin-Hall-effecten op de bovenste en onderste oppervlaktelagen door de atomaire roosterstructuur van deze lagen minutieus aan te passen. Door met een strategisch ontworpen asymmetrische oppervlaktestructuur een onbalans in het spin-Hall-effect te creëren, konden ze de magnetisatie in een specifieke richting controleren.

Voortbouwend op deze aanpak heeft het team met succes een efficiënte magnetisatieschakeling gerealiseerd zonder de noodzaak van een magnetisch veld. Door SOT te integreren in een apparaat op basis van SrRuO₃konden ze het magnetische domein heroriënteren door alleen een elektrische stroom te gebruiken om gegevens te schrijven en te lezen.

Het resulterende geheugenapparaat vertoonde de hoogste efficiëntie (2 tot 130 keer groter) en het laagste energieverbruik (2 tot 30 keer lager) vergeleken met enig tot nu toe bekend enkellaags, veldvrij systeem. Deze magnetisatieschakeling werd tot stand gebracht zonder een magnetisch veld, terwijl de conventionele eigenschappen van SrRuO behouden bleven₃ gebruikt in eerdere onderzoeken.

Professor Daesu Lee van POSTECH zegt: “De asymmetrische SrRuO₃ gesynthetiseerd door het team is een cruciaal platform voor het bestuderen van de interactie tussen ferromagnetisme en het spin-Hall-effect. “Hij voegde eraan toe:” We kijken uit naar verder onderzoek om nieuwe SOT-mechanismen bloot te leggen en zeer efficiënte, eenfasige SOT-systemen op kamertemperatuur te ontwikkelen. materialen.”