Baustein der magnetoelektrischen Spin-Orbit-Logik eröffnet neue Wege für Low-Power-Technologien über CMOS hinaus

In einem Artikel veröffentlicht in Natürliche Kommunikation, einem internationalen Team unter der Leitung von Forschern der Nanodevices-Gruppe am CIC nanoGUNE, ist es erfolgreich gelungen, die spannungsbasierte Magnetisierung von magnetoelektrischen Spin-Orbit-Nanogeräten umzuschalten und auszulesen. Diese Studie stellt einen Funktionsbeweis dieser Nanogeräte dar, die die Bausteine ​​der magnetoelektrischen Spin-Orbit-Logik (MESO) sind, und eröffnet einen neuen Weg für energiesparende Technologien über CMOS hinaus.

Es wurde ein feldfreier, spannungsbasierter Magnetismus-Schaltweg vorgeschlagen, der magnetoelektrische Materialien verwendet, die mehr als eine der primären ferroischen Eigenschaften in derselben Phase aufweisen. Unter mehreren möglichen Kombinationen sollte die Koexistenz von Ferroelektrizität und Ferromagnetismus die Steuerung der Magnetisierung durch Umschalten der ferroelektrischen Polarisation mit einem elektrischen Feld ermöglichen.

In dieser Kategorie ist Wismutferrit (BiFeO₃) war das am meisten untersuchte Material und zeigte bei Raumtemperatur eine enge Kopplung zwischen antiferromagnetischen und ferroelektrischen Ordnungen.

Der Weg zu multiferroischen Geräten war lang und steinig, und es wurden nur wenige Ergebnisse gemeldet. Es wird jedoch erwartet, dass solche Geräte in der Lage sind, die Magnetisierungsschreibenergie auf die Attojoule-Skala zu senken, was eine Verbesserung um mehrere Größenordnungen gegenüber modernen strombasierten Geräten darstellt.

Diese treibende Kraft führte zum jüngsten Vorschlag der MESO-Logik, der ein spinbasiertes Nanogerät neben einem Multiferroikum vorschlägt, bei dem die Magnetisierung nur mit einem Spannungsimpuls umgeschaltet und mithilfe eines Phänomens der Spin-zu-Ladungsstromumwandlung elektrisch ausgelesen wird ( SCC).

Heute hat ein Forscherteam die experimentelle Umsetzung eines solchen Geräts demonstriert. Das Team stellte SCC-Nanogeräte auf BiFeO her₃ und analysierten die Reversibilität der Magnetisierung von ferromagnetischem CoFe mithilfe einer Kombination aus piezoelektrischer Reaktion und Magnetkraftmikroskopie, wobei der Polarisationszustand von BiFeO ermittelt wurde₃ und die Magnetisierung von CoFe werden beim Umschalten abgebildet.

Die Forscher korrelierten dies dann mit vollelektrischen SCC-Experimenten, bei denen Spannungsimpulse angelegt wurden, um das BiFeO zu schalten.₃Umkehrung der Magnetisierung von CoFe (Schreiben) und je nach Magnetisierungsrichtung (Lesen) wurden unterschiedliche SCC-Ausgangsspannungen gemessen.

Veröffentlichte Ergebnisse unterstützen spannungsbasiertes Schalten und Auslesen der Magnetisierung in Nanogeräten bei Raumtemperatur, ermöglicht durch Austauschkopplung zwischen multiferroischem BiFeO₃ und ferromagnetisches CoFe zum Schreiben und SCC zwischen CoFe und Pt zum Lesen.

Allerdings sind weitere Arbeiten im Hinblick auf die Steuerbarkeit und Reproduzierbarkeit des Schaltens erforderlich, insbesondere im Hinblick auf ferroelektrische und magnetische Texturen in BiFeO₃Diese Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt zur Steuerung der Magnetisierungsspannung in nanoskaligen Magneten dar, die für zukünftige spinbasierte Logik- und Speichergeräte mit geringem Stromverbrauch unerlässlich sind.