Avancées dans la mémoire à accès aléatoire magnétique

La mémoire à accès aléatoire magnétique (MRAM) est une technologie de mémoire qui stocke des données en utilisant l'état magnétique de petits aimants appelés nanomagnets. Chaque nanomagnet peut rester dans l'un de deux états, qui représentent les chiffres binaires (0 et 1) des données informatiques. L'objectif de la MRAM est d'enregistrer ces états rapidement et efficacement. Cependant, un défi majeur de la technologie MRAM est de réduire la quantité d'énergie nécessaire pour changer ces petits aimants.

Quand un courant électrique est appliqué au nanomagnet, il peut changer son état magnétique. Ce processus, appelé inversion de magnétisation, est la manière dont l'information est écrite dans la MRAM. Réduire la quantité de courant électrique nécessaire pour cette inversion est essentiel pour améliorer la performance et la fiabilité de la MRAM.

Il existe deux principaux types de MRAM : MRAM par couple de spin (STT-MRAM) et MRAM par couple d'orbite de spin (SOT-MRAM).

Dans la STT-MRAM, l'inversion de la magnétisation se produit lorsque des électrons avec une direction de spin spécifique sont poussés par un courant électrique d'un aimant à un autre. Ce processus nécessite beaucoup d'électrons polarisés par spin, rendant difficile la réduction du courant nécessaire pour écrire des données.

D'un autre côté, la SOT-MRAM génère les électrons polarisés par spin à l'intérieur du même nanomagnet. Un courant électrique crée un déséquilibre de spins à chaque extrémité du nanomagnet, ce qui peut conduire à une inversion de magnétisation. Comme les spins proviennent du même aimant, il y a plus de place pour l'optimisation, permettant une réduction significative du courant requis pour l'enregistrement des données.

#Le rôle du courant électrique dans le contrôle de la magnétisation

Quand un courant électrique passe à travers un nanomagnet, il peut aussi influencer les propriétés magnétiques du matériau. En particulier, le courant peut affecter deux aspects importants : l'Anisotropie magnétique et l'interaction spin-orbite.

L'anisotropie magnétique est la tendance d'un aimant à préférer une direction par rapport aux autres pour sa magnétisation. Cette propriété est cruciale car elle détermine à quel point un aimant peut être facilement commuté.

L'interaction spin-orbite est la manière dont le spin des électrons interagit avec leur mouvement. Cet effet peut changer les propriétés magnétiques des matériaux lorsqu'il est influencé par le courant.

Les recherches montrent que ces propriétés peuvent changer en fonction de la quantité de courant électrique qui traverse le nanomagnet. Deux tendances principales ont été observées : une qui change linéairement avec le courant et une autre qui change avec le carré du courant.

L'effet du courant au carré provient de l'effet Spin Hall, qui accumule de la force avec plus de couches dans des nanomagnets multicouches. Cela signifie que les conceptions multicouches peuvent atteindre des changements significatifs dans les propriétés magnétiques lorsque un courant les traverse.

À l'inverse, l'effet du courant linéaire est lié aux effets Hall Ordinaire et Anomal, qui agissent différemment selon la structure du nanomagnet. Cet effet est principalement perceptible dans des nanomagnets à couche unique, où les changements sont plus petits.

#Mesurer l'interaction spin-orbite et l'anisotropie magnétique

Une nouvelle méthode pour mesurer comment le courant affecte l'interaction spin-orbite et l'anisotropie magnétique a été développée. Cette approche permet de mieux comprendre les processus physiques sous-jacents en jeu.

Pour mesurer ces changements, des nanomagnets ont été construits sur un fil en tantalite (Ta) ou tungstène (W) et attachés à une sonde Hall. Divers nanomagnets, y compris des conceptions à couche unique et multicouches, ont été testés à température ambiante.

Quand un champ magnétique externe était appliqué, il modifiait l'interaction spin-orbite, ce qui affectait à son tour l'anisotropie magnétique. En observant comment le champ d'anisotropie changeait quand différentes quantités de courant passaient, les chercheurs pouvaient tirer des conclusions sur l'effet de l'interaction spin-orbite.

#Différences entre les nanomagnets à couche unique et multicouche

Les nanomagnets à couche unique et multicouche réagissent différemment aux courants électriques. Pour les nanomagnets à couche unique, les effets du courant sur l'anisotropie magnétique changent de manière prévisible. À mesure que la densité de courant augmente, le décalage des propriétés magnétiques diminue constamment, tandis que la pente des changements augmente.

En revanche, les conceptions multicouches montrent que les changements dans les propriétés magnétiques sont beaucoup plus importants par rapport aux nanomagnets à couche unique. À la même densité de courant, les variations de ces propriétés sont d'un ordre de grandeur plus significatif. Cela met en évidence comment les structures multicouches peuvent tirer pleinement parti des effets générés par les courants électriques.

#Changements induits par le courant dans les propriétés magnétiques

Pour les nanomagnets à couche unique et multicouche, les changements dans l'anisotropie magnétique et l'interaction spin-orbite ont été examinés à différentes densités de courant. Une image plus claire a émergé de la manière dont ces mécanismes fonctionnent.

Dans les nanomagnets à couche unique, les effets du courant étaient presque égaux, avec un changement se produisant en proportion directe au courant et l'autre lié au carré du courant. La polarité de ces changements était opposée, ce qui signifie que lorsque l'un augmentait, l'autre diminuait.

D'un autre côté, les nanomagnets multicouches ont montré une réponse beaucoup plus importante au courant, favorisant la contribution du courant au carré. Cette accélération découle de l'Accumulation de spins améliorée à plusieurs interfaces, entraînant des changements de magnétisation significatifs qui peuvent influencer activement l'enregistrement de données.

#L'impact du chauffage électrique

Un autre aspect à considérer est l'impact du chauffage sur les nanomagnets. Quand le courant passe, les nanomagnets peuvent chauffer, ce qui peut aussi influencer leurs propriétés. L'augmentation de la température peut entraîner une réduction de la force de l'interaction spin-orbite et de l'anisotropie magnétique.

Cependant, il a été constaté que le chauffage seul n'explique pas pleinement les changements observés. Même après avoir pris en compte le chauffage, les effets observés restaient substantiels. Cela indique que d'autres mécanismes, notamment liés à l'accumulation de spins, sont en jeu.

#Mécanismes d'accumulation de spins

L'accumulation de spins est le processus par lequel les spins des électrons s'accumulent dans un matériau en raison du courant électrique. Différents mécanismes contribuent à cela, en particulier les effets Spin Hall, Hall Ordinaire et Hall Anormal.

L'effet Spin Hall génère des spins qui sont initialement dans le plan, perpendiculaires à la magnétisation. Cependant, ces spins se réalignent rapidement le long du champ magnétique interne, affectant l'anisotropie et l'interaction spin-orbite.

En revanche, les effets Hall Ordinaire et Anormal génèrent des spins qui sont alignés avec la magnétisation. Bien que les deux processus mènent à l'accumulation de spins, chacun fonctionne de manière différente et influence les propriétés magnétiques en conséquence.

Une différence clé est que tandis que les effets Hall Ordinaire et Anormal contribuent linéairement avec le courant, l'effet Spin Hall contribue principalement aux changements au carré. Cette distinction indique comment ces mécanismes interagissent avec le matériau et les propriétés résultantes.

#Conclusion

En résumé, les chercheurs ont découvert comment le courant électrique peut impacter les propriétés magnétiques des nanomagnets. L'étude des structures à couche unique et multicouche révèle que les conceptions multicouches présentent des changements plus importants en raison de l'accumulation de spins améliorée.

À mesure que les densités de courant augmentent, deux contributions distinctes au comportement magnétique ont été observées : l'une qui change avec le courant et l'autre qui change avec le carré du courant. Les résultats soulignent l'importance des différents effets, en particulier les effets Spin Hall, Ordinaire et Anormal, dans l'influence des propriétés magnétiques.

Comprendre ces mécanismes ouvre la voie à l'optimisation de la technologie MRAM, rendant possible la réduction des courants d'enregistrement requis et améliorant les méthodes de stockage des données. Les implications de cette connaissance vont au-delà de la MRAM, fournissant des aperçus sur diverses technologies de stockage magnétique et faisant progresser le domaine de la spintronique.