Магнитные запоминающие устройства с произвольным доступом (MRAM) являются одними из самых многообещающих технологий памяти следующего поколения. Их основные преимущества по сравнению с обычными компьютерными запоминающими устройствами и другими появляющимися конструкциями памяти включают их способность достигать удивительно высоких скоростей и их энергонезависимость.

Чтобы максимизировать скорость и производительность MRAM, инженеры должны иметь возможность глубоко изучить лежащие в их основе механизмы, особенно траектории переключения в структурах с обменным смещением ферромагнетик/антиферромагнетик. Однако до сих пор доступные методы мониторинга этих процессов во времени остаются ограниченными.

Исследователи из Мюнхенского технического университета и Университета Цинхуа недавно продемонстрировали обнаружение с временным разрешением переключения намагниченности и обменного смещения спин-орбитального крутящего момента. Используемый ими метод, описанный в Nature Electronics , основан на использовании передовых инструментов магнитной микроскопии.

«Чтобы достичь максимально возможных скоростей записи с помощью MRAM, необходимы глубокие знания о процессе переключения намагниченности между «0» и «1»», — сказал TechXplore один из исследователей, проводивших исследование, Кристиан Бэк.

«Однако обнаружение переключения намагниченности до сих пор ограничивалось квазистатическими экспериментами, и ничего не было известно о временных масштабах, а также о подробном процессе записи. Наша группа специализируется на магнитной микроскопии с временным разрешением с высоким временным разрешением (1 пикосекундное временное и около 300 нм пространственное разрешение ), поэтому для нас было естественным подробно изучить этот процесс».

Недавняя работа Бэка, Юяна Вана и их коллег основана на нескольких предыдущих исследованиях, в которых они использовали методы магнитной микроскопии с временным разрешением для изучения более простых структур. В своем текущем исследовании они специально использовали стробоскопический насос-зонд для отслеживания траектории переключения магнитного элемента. Этот метод позволил им записать «магнитный фильм» процесса переключения, разворачивающегося во времени, с высоким временным и пространственным разрешением.

«В нашем случае импульс накачки — это импульс тока, пропущенный через один из слоев прототипа элемента MRAM, а наш зондирующий импульс — это лазерный импульс, который позволяет определять магнитное состояние», — пояснил Бэк. «Таким образом, мы записываем траектории переключения или целые фильмы и сравниваем их с реалистичным моделированием всего магнитного элемента. Это, наконец, позволяет нам извлечь соответствующие параметры для процесса переключения и позволяет нам сделать твердое заявление о процессе переключения в целом. »

Экспериментируя с параметрами используемого ими импульса тока, исследователи в конечном итоге добились многоуровневого переключения намагниченности и антиферромагнитного обменного смещения в субнаносекундном масштабе времени, двух процессов, которые, как было установлено, связаны с формированием множественных доменных структур на антиферромагнитном интерфейсе. Они также показали, что переключение обменного смещения, вызванное спин-орбитальным крутящим моментом, в их прототипе MRAM может стабилизировать многоуровневое переключение намагниченности в рамках короткого импульса тока, улучшая стабильность устройства.

«Мы добились значительного прогресса в исследовании спиновой динамики устройств памяти на основе спин-орбитального крутящего момента (SOT) с временным разрешением намного лучше 100 пс», — сказал Бэк. «Применив магнитооптическую микроскопию Керра с временным разрешением в сочетании с микромагнитным моделированием, авторы обнаружили многоуровневый процесс переключения намагниченности и обменного смещения в устройствах SOT в субнаносекундных временных масштабах».

Выводы, полученные Бэком, Вангом и их коллегами, подчеркивают многообещающие стратегии, которые могут позволить инженерам гибко контролировать ключевые процессы, лежащие в основе функционирования устройств MRAM, что в конечном итоге повысит их стабильность. В будущем их работа может проложить путь к разработке SOT-MRAM с несколькими битами, которые могут работать на все более высоких скоростях, что может быть особенно многообещающим для приложений нейроморфных вычислений и вычислений в памяти.

«Теперь мы планируем продолжить исследование динамики вращения устройств SOT-MRAM, содержащих новые материалы (например, 2D-материалы) и новые структуры, для дальнейшего повышения скорости их работы и снижения энергопотребления», — добавил Бэк.