Bouwsteen voor magneto-elektrische spin-orbit-logica opent nieuwe wegen voor energiezuinige Beyond-CMOS-technologieën

In een artikel gepubliceerd in Natuurcommunicatie, is een internationaal team onder leiding van onderzoekers van de Nanodevices-groep van CIC nanoGUNE erin geslaagd om op spanning gebaseerde magnetisatie te schakelen en uit te lezen van magneto-elektrische spin-orbit-nanoapparaten. Deze studie vormt een proof-of-principle van deze nano-apparaten, die de bouwstenen vormen voor de magneto-elektrische spin-orbit (MESO)-logica, en openen een nieuwe weg voor low-power beyond-CMOS-technologieën.

Er is een pad voorgesteld voor magnetisch veldvrij, op spanning gebaseerd schakelen van magnetisme met behulp van magneto-elektrische materialen die meer dan één van de primaire ferro-eigenschappen in dezelfde fase vertonen. Van de verschillende mogelijke combinaties wordt verwacht dat het naast elkaar bestaan ​​van ferro-elektriciteit en ferromagnetisme de controle van de magnetisatie mogelijk zal maken door het schakelen van de ferro-elektrische polarisatie met een elektrisch veld.

In deze categorie wordt bismutferriet (BiFeO₃) is het meest bestudeerde materiaal geweest en vertoont een nauwe koppeling tussen antiferromagnetische en ferro-elektrische ordes bij kamertemperatuur.

De weg naar op multiferroïsche apparaten gebaseerde apparaten is lang en kronkelig geweest, en er zijn schaarse resultaten gerapporteerd. Toch wordt verwacht dat dergelijke apparaten de magnetisatie-schrijfenergieën kunnen terugbrengen naar het attojoule-bereik, een verbetering van verschillende ordes van grootte in vergelijking met de modernste stroomgebaseerde apparaten.

Deze drijvende kracht heeft geleid tot het recente voorstel van MESO-logica, dat een op spin gebaseerd nanoapparaat suggereert dat grenst aan een multiferroïsch systeem, waarbij de magnetisatie uitsluitend wordt geschakeld met een spanningspuls en elektrisch wordt uitgelezen met behulp van spin-to-charge current conversie (SCC)-fenomenen.

Nu heeft een team van onderzoekers de experimentele implementatie van een dergelijk apparaat gedemonstreerd. Het team vervaardigde SCC-nanoapparaten op BiFeO₃ en analyseerde de omkeerbaarheid van de magnetisatie van ferromagnetisch CoFe met behulp van een combinatie van piëzorespons en magnetische krachtmicroscopie, waarbij de polarisatietoestand van de BiFeO₃ en de magnetisatie van CoFe worden bij het schakelen in beeld gebracht.

De onderzoekers correleerden dit vervolgens met volledig elektrische SCC-experimenten waarbij spanningspulsen werden toegepast om de BiFeO te schakelen₃het omkeren van de magnetisatie van CoFe (schrijven) en verschillende SCC-uitgangsspanningen werden gemeten afhankelijk van de magnetisatierichting (lezen).

De gepubliceerde resultaten ondersteunen het op spanning gebaseerde schakelen en lezen van magnetisatie in nanoapparaten bij kamertemperatuur, mogelijk gemaakt door uitwisselingskoppeling tussen multiferroïsche BiFeO₃ en ferromagnetisch CoFe, voor schrijven, en SCC tussen CoFe en Pt, voor lezen.

Hoewel verder werk nodig is op het gebied van de beheersbaarheid en reproduceerbaarheid van het schakelen, met name met betrekking tot de ferro-elektrische en magnetische texturen in BiFeO₃bieden deze resultaten een belangrijke stap voorwaarts in de richting van spanningscontrole van magnetisatie in magneten op nanoschaal, essentieel voor toekomstige op spin gebaseerde logica- en geheugenapparaten met laag vermogen.