スピンメモリ要素に自己組織化されたナノ磁石

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ビデオ: 東北大学サイエンスカフェ 第131回「みんなが知らない『磁石の秘密』 」 2022, 12月
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Anonim
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中国と米国の物理学者は、セルサイズが10ナノメートル未満のスピン磁気メモリデバイスを製造するための新しい方法を提案しました。このようなデバイスに必要な誘電体マトリックス内の異方性磁性粒子の膜は、マグネトロンスパッタリング中の自己組織化の結果として形成されることが判明した。得られたデバイスの磁気特性により、将来の不揮発性スピントロニクスの有望な要素になると、科学者はApplied PhysicsLettersに書いています。

スピントロニクスデバイスでは、情報はエンコードされ、従来の電子機器のように電子の電荷ではなく、それらのスピンに保存されます。電子デバイスですでに使用できるデバイスの1つは、スピン伝達トルク磁気ランダムアクセスメモリです。これは、トンネル磁気抵抗効果を使用して方向を変更します。このようなセル内の単一のメモリ要素は磁性ナノ粒子であり、その磁気モーメントはデバイスの平面に垂直に向けられています。それはナノメートルの絶縁層によって隣接する粒子から分離されており、情報はこの誘電体ギャップのトンネル電流を使用してエンコードされます。スピンメモリ要素やその他のスピントロニクスデバイスの詳細については、当社の資料「ElectricityMagnetism」を参照してください。

スピンモーメント伝達磁気メモリ要素は、不揮発性ストレージデバイスのクラスに属し、情報をほぼ無限に書き換えることができる一方で、エネルギー消費をほとんど必要とせずに迅速に記録することができます。これらのナノメモリセルを作成する際の課題の1つは、デバイスサイズ、熱変動に対する耐性、および書き換えに比較的低い電流密度を使用する機能の間のバランスを見つけることです。

華中科技大学のLongYouが率いる中国と米国の物理学者は、必要なサイズのこのようなメモリセルが、自己組織化プロセスを通じて必要な構造を形成する異方性磁性ナノ粒子から得られることを発見しました。科学者たちは磁性元素として、直径数ナノメートルの鉄と白金の合金(FePt)の異方性粒子を使用しました。このような粒子の配列を得るために、酸化ジルコニウムZrO2の誘電体マトリックスで、科学者は520℃のアルゴン流でFe55Pt45合金と酸化ジルコニウムの同時真空マグネトロンスパッタリングを使用しました。

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調査したスピンメモリ要素の概略図と透過型電子顕微鏡を使用して得られたその顕微鏡写真。

その結果、物理学者は、1つのセルの最小サイズが約5ナノメートルの磁性粒子からフィルムを得ることができました。粒子は、約1ナノメートルの厚さの誘電体層によって互いに分離されていました。トンネル電流を使用してナノ粒子の磁化を制御するために、科学者は走査型トンネル顕微鏡を使用し、2つの磁性層と1つの誘電体層からなる特別な多層プローブを開発しました。このプローブを使用して、スピン電流の方向を切り替え、隣接する磁性ナノ粒子の相互配向を変更することが可能でした

得られたフィルム中の磁性ナノ粒子の強制力は23.2キロエルステッドであり、重磁化軸に沿った異方性磁場強度は約6テスラでした。研究の著者によると、これらの値は、提案された方法が、情報を保存するためのエネルギー源を必要とせず、超低消費電力のスピントロニクスデバイスで使用できるスピンメモリデバイスの作成に有望であることを示しています。さらに、これらのフィルムの研究と制御のために物理学者によって開発されたプローブも将来的に使用される可能性があります。

コンピュータ用のスピン磁気抵抗メモリ要素を作成するための別のアプローチは、非常に高いスピン電流密度を持つデバイスを作成することです。たとえば、オランダの物理学者は、このために強磁性体と超伝導体に基づく記録的なサイズのデバイスを作成しました。これは、化学反応に基づかない磁気センサーや全固体電池の製造にも使用できます。

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