データストレージのエネルギー効率：スピンモーメント、磁化、ホール効果

一日がコーヒーと朝刊で始まりました。最近では、朝のコーヒーへの愛情はその妥当性を失っていませんが、インターネットに接続されたスマートフォン、タブレット、およびその他のガジェットによって紙のニュースが取って代わられています。そしてそれは何の問題もありません。なぜなら、World Wide Webは私たちが情報を受け取り、世界のさまざまな部分からの人々と通信することを可能にするからです。世界で生成されるデータの量は、常に増加しています。すべての記事、写真、2ワードのツイートでさえも、地球の広大で増え続ける情報分野の一部です。しかし、これらのデータはエーテル的ではなく、雲に浮かぶことはなく、どこかに保存されています。ガジェットと専門機関の両方-データセンターは、データストレージの場所として機能します。サーバーで容量がいっぱいの建物は、大量のエネルギーを消費することが予想されます。論理的にデータの世界的な量が増えると、消費されるエネルギーの量も増えます。今日、マインツ大学（ドイツ）の科学者がサーバーにデータを書き込むための新しい技術を開発した研究を見てみましょう。理論的には、消費電力を半分に削減できます。開発にはどのような物理的および化学的プロセスが関与しており、どのような実験が示されていますか。また、この研究の可能性は著者の言うとおりです。これについては科学者の報告から学びます。行け。開発にはどのような物理的および化学的プロセスが関与しており、どのような実験が示されていますか。また、この研究の可能性は著者の言うとおりです。これについては科学者の報告から学びます。行け。開発にはどのような物理的および化学的プロセスが関与し、どのような実験が示されましたか。また、この作品の可能性は著者の言うとおりです。これについては科学者の報告から学びます。行け。

研究の基礎

すべての研究のルーツはスピントロニクス、つまりスピン電流輸送を研究する科学です。次に、スピンは素粒子の適切な角運動量です。近年、スピントロニクスへの関心が大幅に高まり、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（MRAM）のスピン軌道モーメント（スピン軌道トルクからのSOT）を使用した電流の切り替えなど、多くの新しい発見が可能になりました。



スピンゲートは、MRAMの最も重要なコンポーネントの1つです。これらのデバイスは、2つ以上の導電性磁性材料で構成されており、その電気抵抗は、層の磁化の相対的な配置に応じて2つの値の間で変化する可能性があります。



SOTによって引き起こされるスイッチングは、x方向に沿った電流の流れに起因する大幅な減衰（振動の抑制）がある強磁性体-重金属（FM-HM）の二重層で発生します。 SOTは、HM材料のバルクでのスピンホール効果と、FM-HM界面での逆スピンガルバニック効果から発生します。



以前の研究では、減衰SOTの値が低電流密度での磁化の方向を切り替える十分な大きさであることができることを示した（10まで⁷ -10 ⁸ A / cmで^-2）。



サンプルパラメータ（FM-HMヘテロ構造層の組成や厚さなど）を調整して、SOTの大きさと符号を決定できます。しかし、科学者が言うように、SOT自体をリアルタイムで動的に制御することの方がはるかに重要です。



この制御を行うためのエネルギー効率の高いツールの1つは、電界によって引き起こされる機械的ストレスです。科学者たちは、電流の必要性を回避し、関連する損失を排除することで、変形が磁気特性（磁気異方性など）を効果的に調整し、したがって平面内の薄膜の磁区構造とダイナミクスを効果的に調整することを思い出します。さらに、変形はローカルに適用できるため、簡素化されたアーキテクチャを持つデバイスで複雑なスイッチングコンセプトを開発および実装するためのプラットフォームを提供します。



SOTによるスイッチングへの変形の影響、主に異方性への変形の影響、およびスイッチングへの結果としての影響を調査する試みがすでに行われています。さらに、これまでの研究は平面磁気軸を持つシステムにのみ焦点を当てており、垂直に磁化された多層材料の実験的研究は行われていません。



しかし、この研究の著者によると、大きな可能性があるのは垂直に磁化された多層材料です。具体的には、垂直磁気異方性（PMA用したシステムを使用することの約束は、垂直磁気異方性）増加した熱安定性、より高い充填密度、および改善されたスケーリングによるものです。



今日検討している研究では、科学者たちは、圧電基板上に垂直に磁化されたW = CoFeB = MgO多層膜で電気的に誘起される電圧制御（機械的）SOTを実証しました。SOTは、二次量子化法と、異なる性質と大きさの平面電圧での磁気輸送法によって推定されます。

研究成果

圧電基板に加えられた電界によって変調された変形により、明確なスピン応答が生じることがわかった。





画像＃1



画像1aがショーの概略横断型ホールセンサ*（DL）の減衰を測定するために使用され、Wフィールド（FL）SOTフィールド（5 NM）/ CoFeBから（0.6ナノメートル）/ MgOの（2 NM）/ TA（ 3 nm）。多層は、[Pb（Mg _0.33 Nb _0.66 O ₃）] _0.68（011）基板（略してPMN-PT）で成長しました。上の図1B示すデバイスの画像を光学顕微鏡で撮影しました。

* — .



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一軸面内変形は、面外DC電界を圧電PMN-PT（011）基板に適用することで得られました。



通常、印加された電界に対する圧電変形の応答はヒステリシスです。ただし、材料の保磁力*電場特性を超える電場は、基板を分極化し、生成されたひずみが線形応答を持つモードになります。

保磁力* -物質を完全に消磁するのに必要な磁場強度の値。

線形モードは、反対の抗電界よりも大きい電界を適用することによって基板が他の方向にシフトするまで維持されます。したがって、最初の測定の前、ただし構造化プロセスの後で、+ 400 kV / mの電界によってPMN-PT基板に分極が適用されました。



さらに、使用されたのは直流電場であり、これにより線形応答モードで変形を変更することが可能になりました。これにより、誘発された変形に対して信頼できる電気制御が提供されるからです。



また、ホールの交差部は、肩がPMN-PT（011）基板の[011]方向と[100]方向に沿って配向するように作成されていることにも注意してください。



まず、ゼロDC電場でのシステムの磁気ヒステリシスを特徴付けます。



画像1bは、W = CoFeB = MgO = Taで0 kV / m（赤い線）で測定された面外磁場（μ0Hz）を持つ異常ホール電圧線を示し、容易軸（容易軸）スイッチング特性を示しています薄いCoFeB多層膜のセット。



400 kV / m（黒線）で測定された面外磁化サイクルは、ホール電圧（赤線）の上に重ね合わされ、生成されたひずみによる大きな変化はありません。これは、システムが常に主要な垂直磁気異方性を持っていることを示唆しています。





画像2



ショー上記グラフ典型的な第一（V用のフィールド面内依存_1ω）及び第二（Vの_2ω）密度Jと交流ホール電圧高調波_C = 3.8×10 ¹⁰ A / mは^-2現在の行に適用しました。



DC電圧は0に設定されているため、ホールクロスには電圧が印加されていません。縦方向（2a）および横方向（2b）のプロットは、予想される対称性を示しています。縦方向の磁場の場合、勾配_V2ωと磁場の勾配は、+ z（+ M _z）または-z（-M _zに沿った両方の磁化方向で同じです。）、横方向のフィールドでは、その符号は逆になります。



次に、科学者は、横方向（μ分析₀ ΔH _T）と縦（μ ₀ ΔH _L）磁化Mの両方向のためのSOTフィールドの成分_Zを、印加電流密度Jの関数として、これらの成分の平均値を決定し_、C（2C）。





画像＃3上の



グラフは、電界への依存性の結果を示しています。電界（FL）SOTは、引張りおよび圧縮変形（3aおよび3c）の下では大幅に変化しないことが判明しました。逆に、3b400 kV / m（0.03％の電圧）が印加されると、引張り変形により減衰（DL）SOTが2倍になることがわかります。



一方、電流が圧縮変形の方向に沿って流れる場合、モーメントのDL値は変形の増加とともに減少します。



これから、モーメントの大きさDLは、電気的に誘発された引張変形の適用で増加し、圧縮変形で減少することになります。



実験的に観察されたFLおよびDL SOTの変形依存性の微視的起源を理解するために、垂直に磁化された単分子層および非磁性基板で構成される電子構造Fe _1-x Co _x / W（001）の密度汎関数理論を使用して、関数計算が実行されました。





画像4



4aに 示すように、計算中、ユニット構造の平面内で一定の面積を維持しながら、結晶構造は意図的に拡大または縮小し、一軸変形の影響を考慮します。この変形は、比δ=（a ' _j -a _j）/ a _jで定量化できます。ここで、a _jとa' _jは、それぞれ緩和状態と歪んだ状態の平面のj方向に沿った格子定数を示します。結果として、最終的な変形により、初期の結晶対称性がC _4vからC _2vに減少します。



電子構造の計算に基づいて、SOTのδ依存性（4b）、実際の実験と同じ品質特性を示します。



FLとDL SOTは異なる電子状態に由来するため、通常、構造的特徴への異なる依存性に従います。モーメントの値DLは、引張り変形に対して線形に増加し、圧縮変形に対して線形に減少することがわかりました。たとえば、電界の方向に沿って格子が1％拡大すると、DLモーメントの伝導率が大幅に増加します（約35％）。



この観察をより正確に評価するために、比較が行われました（4c）緩和および変形したフィルムのDL SOTへの微視的寄与の空間における分布。ほとんど重要ではないM点周辺の占有状態とは対照的に、高対称点near、X、Yの近くの電子状態はDL導電率の主な情報源を構成します。特に、引張り変形はXとYの周りに強い負の寄与を促進し、全体的に導電率を増加させます。



得られたデータと利用可能な電子構造を結びつけるために、科学者たちは、d電子が支配的な力である磁性層の状態の軌道分極に注意を向けました。



d _xy、d _{x ² -y ²}およびd _{z ²}適用された変形δの符号に依存せず、状態d _yzおよびd _zxは、引張変形または圧縮変形に関して明らかに変化します。特に、これらの軌道は重金属基質とのハイブリダイゼーションも仲介します。このことから、それらが構造的特徴に依存することで、調査中の薄膜のSOTがさらに理解されます。



一例として、科学者は、磁性層の状態密度d _yzの変形変化を、4回転対称の場合と比較して検討することを提案しています（4d）。



フェルミレベルでの状態密度↓*は実質的に引張変形とは無関係ですが、状態↑は明らかに再分配されます。4eでの軌道分極が示すように、この効果は、導電率DL（4）の変化と相関する、点Xの周りの分極d _yzの顕著なδ制御変化によるものです。

スピンチャネル* - スピン方向の方向の1つ（上または下）。



下付き文字s =↑、↓は、強磁性体中の電子のスピン状態を示します。↑は電子の大部分のスピンサブバンド、↓は少数の電子のスピンサブバンドです。さらに、下付き文字s =↑、↓は、スピン伝導チャネル内の電子のスピン状態を示します。

電子構造の計算から得られたデータを使用して、実験的に観察されたFLおよびDLモーメントの特徴の異なる性質は、格子歪みによる電子状態の軌道分極のユニークな変化に起因することを発見しました。



研究のニュアンスの詳細については、科学者のレポートをご覧になることをお勧めします。

エピローグ

研究の著者によると、FM-HMインターフェースでの混成状態の主要な役割を明らかにすることに加えて、研究結果は人工スピン軌道現象の明確なスキームを提供します。スピンと軌道磁性、スピン軌道結合と対称性の複雑な相互作用を使用して、多層デバイスのSOT値を調整し、ひずみに関してフェルミエネルギーの近くの状態の軌道分極を作成できます。



また、この研究は、電気的に制御された電圧（機械的）を使用して垂直に磁化された多層システムで動的SOT調整を行うデバイスの設計の分野におけるエンジニアリングの可能性を広げていることにも注目してください。



この大きな声明は、変形が局所的に生成され、スイッチング領域の選択された部分に重ねられる可能性があるという事実によるものです。したがって、DLスピンが電圧のある領域の磁化の方向を同時に制御できるが、電圧のない領域には影響を与えないように、電流密度を調整することが可能です。選択したエリアは、異なる電界構成を使用してオンデマンドで変更でき、追加の制御レベルを提供します。



これはすべて、電界によるスイッチング領域の特定の変形回路の助けを借りて、エネルギー効率の高いマルチレベルメモリセルを作成できることを意味します。



実験中の調査対象の構造W = CoFeB = MgOへの変形の適用により、FLおよびDLスピンに明らかに異なる変化が生じました。さらに、科学者が指摘しているように、引張変形が電流に平行に適用される場合、DLスピンは2倍になる可能性があります。



言い換えれば、圧電結晶に作用する電界を調整することにより、磁気スイッチングプロセスの特性を直接制御することが可能です。これにより、エネルギー消費量が大幅に削減され、情報を格納するための複雑なアーキテクチャを作成することも可能になります。



将来、科学者たちは、この複雑なプロセスをどこでどのように改善できるかを見つけるために、実際の実験と関連する計算の両方を続けることを計画しています。ただし、そのようなシステムの作成は複雑ですが、エネルギー消費を削減すると、情報ストレージサービスのプロバイダーとコンシューマーの節約につながるだけでなく、環境に対する人類からのすでに強い圧力も大幅に軽減するため、その可能性は非常に大きくなります。



ご静聴ありがとうございました。好奇心旺盛で、良い週をお過ごしください。:)

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