Energieeffizienz der Datenspeicherung: Spinmomente, Magnetisierungen und Hall-Effekt

Einmal begann der Tag mit einer Tasse Kaffee und einer Morgenzeitung. Heutzutage hat die Liebe zum Kaffee am Morgen nicht an Relevanz verloren, aber die Nachrichtenagenturen in Papierform wurden durch Smartphones, Tablets und andere mit dem Internet verbundene Geräte ersetzt. Daran ist nichts auszusetzen, denn über das World Wide Web können wir Informationen empfangen und mit Menschen aus verschiedenen Teilen der Welt kommunizieren. Die weltweit generierte Datenmenge nimmt täglich zu. Jeder Artikel, jedes Foto und sogar ein Tweet mit zwei Wörtern ist Teil des riesigen und stetig wachsenden Informationsfeldes der Erde. Diese Daten sind jedoch nicht ätherisch, sie schweben nicht in den Wolken, sondern werden irgendwo gespeichert. Sowohl unsere Geräte als auch spezialisierte Institutionen - Rechenzentren dienen als Ort der Datenspeicherung. Von Gebäuden, die mit Servern ausgelastet sind, wird erwartet, dass sie viel Energie verbrauchen. LogischMit zunehmendem globalen Datenvolumen steigt auch der Energieverbrauch. Heute werfen wir einen Blick auf eine Studie, in der Wissenschaftler der Universität Mainz eine neue Technik zum Schreiben von Daten auf Server entwickelt haben, mit der sich der Stromverbrauch theoretisch halbieren lässt. Welche physikalischen und chemischen Prozesse sind an der Entwicklung beteiligt, was haben die Experimente gezeigt und ist das Potenzial dieser Arbeit so groß, wie die Autoren sagen? Dies erfahren wir aus dem Bericht von Wissenschaftlern. Gehen.Welche physikalischen und chemischen Prozesse sind an der Entwicklung beteiligt, was haben die Experimente gezeigt und ist das Potenzial dieser Arbeit so groß, wie die Autoren sagen? Dies erfahren wir aus dem Bericht von Wissenschaftlern. Gehen.Welche physikalischen und chemischen Prozesse sind an der Entwicklung beteiligt, was haben die Experimente gezeigt und ist das Potenzial dieser Arbeit so groß, wie die Autoren sagen? Dies erfahren wir aus dem Bericht von Wissenschaftlern. Gehen.

Grundlagen der Forschung

Die Wurzel aller Forschung ist die Spintronik, die Wissenschaft, die den Spinstromtransport untersucht. Der Spin ist wiederum der richtige Drehimpuls eines Elementarteilchens. In den letzten Jahren hat das Interesse an Spintronik stark zugenommen, was es ermöglicht hat, viele neue Dinge zu entdecken, einschließlich der Stromumschaltung unter Verwendung von Spin-Orbit-Momenten (SOT vom Spin-Orbit-Drehmoment ) im magnetoresistiven Direktzugriffsspeicher (MRAM).



Spin Gates sind eine der wichtigsten Komponenten von MRAM. Diese Vorrichtungen bestehen aus zwei oder mehr leitenden magnetischen Materialien, deren elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von der relativen Ausrichtung der Magnetisierung in den Schichten zwischen zwei Werten variieren kann.



SOT-induziertes Schalten tritt in ferromagnetisch-schweren Metall (FM-HM) -Doppelschichten auf, bei denen aufgrund des Stromflusses entlang der x- Richtung eine signifikante Dämpfung (Unterdrückung von Schwingungen) auftritt . SOTs entstehen durch den Spin-Hall-Effekt in der Masse des HM-Materials und durch den galvanischen Reverse-Spin-Effekt an der FM-HM-Grenzfläche.



Frühere Studien haben gezeigt, dass der Wert des gedämpften SOT groß genug sein kann, um die Magnetisierungsrichtung bei niedrigen Stromdichten (bis zu 10 ⁷ –10 ⁸ A / cm ^–2 ) zu ^ändern .



Probenparameter (z. B. Zusammensetzung und Dicke der FM-HM-Heterostrukturschicht) können angepasst werden, um die Größe und das Vorzeichen des SOT zu bestimmen. Wie Wissenschaftler sagen, ist es jedoch viel wichtiger, die SOTs selbst in Echtzeit dynamisch zu steuern.



Eines der energieeffizienten Werkzeuge, um diese Steuerung zu erhalten, ist die mechanische Belastung, die durch ein elektrisches Feld verursacht wird. Die Wissenschaftler erinnern daran, dass durch die Vermeidung des Bedarfs an elektrischem Strom und damit die Beseitigung der damit verbundenen Verluste durch Verformung die magnetischen Eigenschaften (z. B. magnetische Anisotropie) und damit die Struktur und Dynamik der magnetischen Domänen dünner Filme in der Ebene effektiv eingestellt werden. Da Verformungen lokal angewendet werden können, bietet sie darüber hinaus eine Plattform für die Entwicklung und Implementierung komplexer Schaltkonzepte in Geräten mit einer vereinfachten Architektur.



Es wurden bereits Versuche unternommen, den Effekt der Verformung auf das Schalten aufgrund von SOT zu untersuchen, hauptsächlich den Effekt der Verformung auf die Anisotropie und den daraus resultierenden Effekt auf das Schalten. Darüber hinaus konzentrierten sich frühere Forschungen ausschließlich auf Systeme mit einer planaren Magnetachse, und es wurden keine experimentellen Forschungen an senkrecht magnetisierten Mehrschichtmaterialien durchgeführt.



Laut den Autoren dieser Arbeit liegt jedoch in senkrecht magnetisierten Mehrschichtmaterialien ein großes Potenzial. Das Versprechen, Systeme mit senkrechter magnetischer Anisotropie (PMA für senkrechte magnetische Anisotropie ) zu verwenden, beruht insbesondere auf einer erhöhten thermischen Stabilität, höheren Packungsdichten und einer verbesserten Skalierung.



In der Studie, die wir heute betrachten, haben Wissenschaftler eine elektrisch induzierte (mechanische) SOT zur Spannungsregelung in senkrecht magnetisierten W = CoFeB = MgO-Mehrfachschichten gezeigt, die auf einem piezoelektrischen Substrat gewachsen sind. SOTs werden durch das sekundäre Quantisierungsverfahren und durch das magnetische Transportverfahren bei ebenen Spannungen unterschiedlicher Art und Größe geschätzt.

Forschungsergebnisse

Es wurde gefunden, dass eine Verformung, die durch ein an ein piezoelektrisches Substrat angelegtes elektrisches Feld moduliert wird, zu unterschiedlichen Spinreaktionen führt.





Bild 1



Bild 1a zeigt eine schematische Darstellung eines Kreuz- Hall- Sensors *, der zur Messung von SOT-Feldern für Dämpfung (DL) und Feld (FL) in einem W (5 nm) / CoFeB (0,6 nm) / MgO (2 nm) / Ta ( 3 nm). Die Mehrfachschicht wurde auf einem Substrat [Pb (Mg _0,33 Nb _0,66 O ₃ )] _0,68 (011) (abgekürzt als PMN-PT) gezüchtet , das zur elektrischen Erzeugung mechanischer Spannungen verwendet wurde. In 1b ist das von einem optischen Mikroskop aufgenommene Gerätebild dargestellt.

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Eine einachsige Verformung in der Ebene wurde durch Anlegen eines elektrischen Gleichstromfeldes außerhalb der Ebene an ein piezoelektrisches PMN-PT (011) -Substrat erhalten.



Typischerweise ist die Reaktion der piezoelektrischen Verformung auf ein angelegtes elektrisches Feld eine Hysterese. Elektrische Felder, die die Koerzitivfeld -Charakteristik des Materialpols überschreiten, polieren jedoch das Substrat und führen zu einem Modus, in dem die erzeugte Dehnung eine lineare Antwort hat.

Koerzitivkraft * - Der Wert der Magnetfeldstärke, die erforderlich ist, um die Substanz vollständig zu entmagnetisieren.

Der lineare Modus wird beibehalten, bis das Substrat durch Anlegen elektrischer Felder, die größer als das entgegengesetzte Koerzitivfeld sind, in die andere Richtung verschoben wird. Daher wurde vor den ersten Messungen, jedoch nach dem Strukturierungsprozess, eine Polarisation mittels eines elektrischen Feldes von +400 kV / m auf das PMN-PT-Substrat angewendet.



Ferner wurden die elektrischen Gleichstromfelder verwendet, die es ermöglichten, die Verformung im linearen Antwortmodus zu ändern, da dies eine zuverlässige elektrische Kontrolle über die induzierte Verformung ermöglicht.



Es ist auch erwähnenswert, dass der Hall-Schnittpunkt so hergestellt wurde, dass seine Schultern entlang der Richtungen [011] und [100] des PMN-PT (011) -Substrats ausgerichtet waren, die den Streck- bzw. Kompressionsrichtungen entsprechen.



Zunächst charakterisieren wir die magnetische Hysterese des Systems bei einem elektrischen Gleichfeld von Null.



Bild 1b zeigt die anomale Hall-Spannungslinie mit einem Magnetfeld außerhalb der Ebene (μ0 Hz), gemessen für W = CoFeB = MgO = Ta bei 0 kV / m (rote Linie), wobei die Schaltcharakteristik der einfachen Achse (einfache Achse) von gezeigt wird Sätze dünner CoFeB-Multilayer.



Der bei 400 kV / m (schwarze Linie) gemessene Magnetisierungszyklus außerhalb der Ebene überlagert die Hall-Spannung (rote Linie) und zeigt aufgrund der erzeugten Dehnung keine signifikante Änderung. Dies legt nahe, dass das System immer eine dominante senkrechte magnetische Anisotropie aufweist.





Bild Nr. 2



Die obigen Grafiken zeigen typische Abhängigkeiten in der Ebene der Felder der ersten (V _1ω ) und zweiten (V _2ω ) Hall-Spannungsoberwellen, wenn ein Wechselstrom mit einer Dichte j _c = 3,8 × 10 ¹⁰ A / m ^–2 an die Stromleitung angelegt wurde .



Die Gleichspannung wurde auf 0 eingestellt, so dass keine Spannung an das Hallkreuz angelegt wurde. Die Diagramme der Längs- ( 2a ) und Querfelder ( 2b ) zeigen die erwarteten Symmetrien: Für das Längsfeld sind die Steigungen V _2ω und die Steigungen des Feldes für beide Magnetisierungsrichtungen entlang + z (+ M _z ) oder -z (-M _{z gleich}), während für das Querfeld ihr Vorzeichen entgegengesetzt wird.



Als nächstes analysierten die Wissenschaftler die transversalen (μ ₀ ΔH _T ) und longitudinalen (μ ₀ ΔH _L ) Komponenten des SOT-Feldes für beide Magnetisierungsrichtungen M _z und bestimmten den Mittelwert dieser Komponenten als Funktion der angelegten Stromdichte j _c ( 2c ).





Bild 3 Die



obigen Grafiken zeigen die Ergebnisse der Abhängigkeit vom elektrischen Feld. Es wurde festgestellt, dass sich das Feld (FL) SOT unter Zug- und Druckverformungen ( 3a und 3c ) nicht signifikant ändert . Im Gegenteil, bei 3bEs ist ersichtlich, dass die Zugverformung die Dämpfung (DL) SOT verdoppelt, wenn 400 kV / m (0,03% Spannung) angelegt werden.



Wenn andererseits der Strom entlang der Richtung der Druckverformung fließt, nimmt der DL-Wert des Moments mit zunehmender Verformung ab.



Daraus folgt, dass die Größe DL des Moments mit der Anwendung einer elektrisch induzierten Zugverformung zunimmt und mit einer Druckverformung abnimmt.



Um den mikroskopischen Ursprung der experimentell beobachteten Verformungsabhängigkeit von FL und DL SOT zu verstehen, wurden Funktionsberechnungen unter Verwendung der Dichtefunktionaltheorie der elektronischen Struktur Fe _{1 - x} Co _x / W (001) durchgeführt, die aus einer senkrecht magnetisierten Monoschicht und nichtmagnetischen Substraten besteht.





Bild Nr. 4



Wie in 4a gezeigt , dehnte sich die Kristallstruktur während der Berechnungen absichtlich aus oder zog sich zusammen, während ein konstanter Bereich in der Ebene der Einheitszelle beibehalten wurde, um den Effekt einer einachsigen Verformung zu berücksichtigen. Diese Verformung kann durch das Verhältnis δ = (a ' _j - a _j ) / a _j quantifiziert werden , wobei a _j und a' _j die Gitterkonstante entlang der j-Richtung in der Ebene in einem entspannten bzw. verzerrten Zustand bezeichnen. Infolgedessen verringert jede endgültige Verformung die anfängliche Kristallsymmetrie von C _4v auf C _2v .



Basierend auf den Berechnungen der elektronischen Struktur wurde die Abhängigkeit von SOT von δ ( 4b), die die gleichen Qualitätsmerkmale wie im eigentlichen Versuch aufweist.



Da FL und DL SOT aus unterschiedlichen elektronischen Zuständen stammen, folgen sie normalerweise unterschiedlichen Abhängigkeiten von Strukturmerkmalen. Es wurde gefunden, dass der Wert DL des Moments in Bezug auf die Zugverformung linear ansteigt und in Bezug auf die Druckverformung linear abnimmt. Beispielsweise erhöht eine Ausdehnung des Gitters um 1% entlang der Richtung des elektrischen Feldes die Leitfähigkeit von DL-Momenten signifikant (um etwa 35%).



Um diese Beobachtung genauer beurteilen zu können, wurde ein Vergleich durchgeführt ( 4c) räumliche Verteilung mikroskopischer Beiträge zu DL SOT für entspannte und deformierte Filme. Im Gegensatz zu den kaum wichtigen besetzten Zuständen um den M-Punkt bilden die elektronischen Zustände nahe den hohen Symmetriepunkten Γ, X und Y die Hauptquelle für die DL-Leitfähigkeit. Insbesondere die Zugverformung fördert starke negative Beiträge um X und Y, was zu einer allgemeinen Erhöhung der Leitfähigkeit führt.



Um die erhaltenen Daten mit der verfügbaren elektronischen Struktur zu verbinden, machten die Wissenschaftler auf die Orbitalpolarisation von Zuständen in der Magnetschicht aufmerksam, in der d-Elektronen die dominierende Kraft sind.



Während d _xy , d _{x ² - y ²} und d _{z ²}hängen nicht vom Vorzeichen der angelegten Verformung δ ab, die Zustände d _yz und d _zx ändern sich deutlich in Bezug auf die Zug- oder Druckverformung. Bemerkenswerterweise vermitteln diese Orbitale auch die Hybridisierung mit dem Schwermetallsubstrat. Daraus folgt, dass ihre Abhängigkeit von Strukturmerkmalen ein zusätzliches Verständnis der SOT in den untersuchten Dünnfilmen liefert.



Als Beispiel schlagen Wissenschaftler vor, die Verformungsänderung der Zustandsdichte d _yz in der Magnetschicht im Vergleich zum Fall der vierfachen Rotationssymmetrie ( 4d ) zu berücksichtigen .



Während die Zustandsdichte ↓ * auf Fermi-Ebene praktisch unabhängig von der Zugverformung ist, sind die Zustände ↑ deutlich neu verteilt. Wie die Orbitalpolarisation bei 4e zeigt , ist dieser Effekt auf ausgeprägte δ-gesteuerte Änderungen der Polarisation d _yz um Punkt X zurückzuführen, die mit Änderungen der Leitfähigkeit DL ( 4 ) korrelieren .

Spin-Kanal * - eine der Richtungen der Spin-Ausrichtung (nach oben oder unten).



Der Index s = ↑, ↓ bezeichnet den Spinzustand von Elektronen in Ferromagneten: ↑ ist das Spin-Teilband der Mehrheit der Elektronen, ↓ ist das Spin-Teilband der Minderheit der Elektronen. Zusätzlich bezeichnet der Index s = ↑, ↓ den Spinzustand des Elektrons in den Spinleitungskanälen.

Unter Verwendung von Daten aus Berechnungen der elektronischen Struktur fanden die Wissenschaftler heraus, dass die unterschiedliche Natur der experimentell beobachteten Merkmale der FL- und DL-Momente auf einzigartigen Änderungen der Orbitalpolarisation elektronischer Zustände aufgrund von Gitterverzerrungen beruht.



Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern zu lesen .

Epilog

Laut den Autoren der Arbeit bieten die Studienergebnisse nicht nur die Schlüsselrolle hybridisierter Zustände an der FM-HM-Schnittstelle, sondern auch ein klares Schema für vom Menschen verursachte Spin-Orbit-Phänomene. Unter Verwendung der komplexen Wechselwirkungen von Spin und Orbitalmagnetismus, Spin-Orbit-Kopplung und Symmetrie ist es möglich, den SOT-Wert in mehrschichtigen Bauelementen anzupassen und so eine Orbitalpolarisation von Zuständen nahe der Fermi-Energie in Bezug auf Verformung zu erzeugen.



Es ist auch erwähnenswert, dass diese Studie die technischen Möglichkeiten im Bereich des Entwurfs von Geräten mit dynamischer SOT-Abstimmung in senkrecht magnetisierten Mehrschichtsystemen unter Verwendung einer elektrisch gesteuerten Spannung (mechanisch) erweitert.



Diese laute Aussage beruht auf der Tatsache, dass Verformungen lokal erzeugt und ausgewählten Teilen des Schaltbereichs überlagert werden können. Daher ist es möglich, die Stromdichte so einzustellen, dass der DL-Spin gleichzeitig die Magnetisierungsrichtung in Bereichen mit Spannung steuern kann, Bereiche ohne Spannung jedoch nicht beeinflusst. Die ausgewählten Bereiche können dann bei Bedarf mithilfe einer anderen elektrischen Feldkonfiguration geändert werden, wodurch eine zusätzliche Steuerungsebene bereitgestellt wird.



All dies bedeutet, dass mit Hilfe spezifischer Verformungsschaltungen der Schaltbereiche mittels elektrischer Felder eine energieeffiziente mehrstufige Speicherzelle erzeugt werden kann.



Die Anwendung der Verformung auf die untersuchte Struktur W = CoFeB = MgO während der Experimente führte zu deutlich unterschiedlichen Änderungen der FL- und DL-Spins. Darüber hinaus kann, wie Wissenschaftler bemerken, der DL-Spin verdoppelt werden, wenn die Zugverformung parallel zum Stromfluss angewendet wird.



Mit anderen Worten ist es möglich, die Eigenschaften des magnetischen Schaltprozesses direkt einzustellen, indem das elektrische Feld eingestellt wird, das auf den piezoelektrischen Kristall wirkt. Dies führt zu einer deutlichen Reduzierung des Energieverbrauchs und ermöglicht die Erstellung komplexer Architekturen zum Speichern von Informationen.



In Zukunft planen die Wissenschaftler, sowohl praktische Experimente als auch verwandte Berechnungen fortzusetzen, um herauszufinden, wo und wie dieser komplexe Prozess verbessert werden kann. Trotz der Komplexität der Erstellung solcher Systeme ist ihr Potenzial jedoch äußerst groß, da die Reduzierung des Energieverbrauchs nicht nur zu Einsparungen für Anbieter und Verbraucher von Informationsspeicherdiensten führt, sondern auch den bereits starken Druck der Menschheit auf die Umwelt erheblich verringert.



Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs. :) :)

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