Un seul dispositif de couple spin-orbite pour détecter les champs magnétiques 3D

champ magnétique

Crédit: CC0 Public Domain

Les capteurs capables de détecter les champs magnétiques ont de nombreuses applications potentielles, par exemple dans le développement de dispositifs médicaux et de systèmes de transport sophistiqués. La plupart des approches de détection des champs magnétiques 3D développées jusqu’à présent nécessitent cependant plusieurs capteurs, ce qui les rend volumineux et difficiles à mettre en œuvre à grande échelle.

Dans cet esprit, les chercheurs du laboratoire de dispositifs et de systèmes à économie d’énergie à l’échelle nanométrique (NEEDS) de l’Université des sciences et technologies de Huazhong en Chine ont entrepris de développer un dispositif à orbite unique capable de détecter individuellement les champs magnétiques 3D. L’appareil qu’ils ont conçu, présenté dans un article publié dans Electronique Nature et inspiré de leurs travaux antérieurs, est basé sur une hétérostructure Ta / CoFeB / MgO (tantale / cobalt-fer-bore / oxyde de magnésium).

« Un de nos articles antérieurs, publié dans IEEE IEDM en 2018, a rapporté que l’augmentation des densités de courant d’écriture peut progressivement réduire la coercivité d’un aimant jusqu’à ce qu’il atteigne zéro « , a déclaré Long You, l’un des chercheurs qui ont mené l’étude, à TechXplore. » Par la suite, dans deux articles publiés dans AEM et APL nous avons proposé que le champ courant et dans le plan aient une régulation continue sur la résistance AHE du dispositif par le mouvement de la paroi du domaine. Sur la base de ces travaux antérieurs, nous avons entrepris de détecter un champ magnétique tridimensionnel (3D) avec des dispositifs spin – orbite-couple (SOT). « 

Une approche couramment utilisée pour détecter les champs magnétiques 3D repose sur l’utilisation de trois capteurs magnétiques, avec leurs directions de détection stratégiquement disposées le long de trois axes de coordonnées (x, y et z). Alternativement, certains chercheurs ont utilisé des capteurs dits plans avec un guide de flux magnétique attaché à eux.

Dans leur travail, vous et ses collègues ont exploré la possibilité de détecter un champ magnétique vectoriel à l’aide d’un seul dispositif de couple spin-orbite. L’hétérostructure Ta / CoFeB / MgO qu’ils ont conçue y parvient via le déplacement des parois de domaine dans la couche de CoFeB, ce qui permet la modulation de ce que l’on appelle la résistance anormale à effet Hall.

« En fonction des différents caractères symétriques de la dynamique ou de la commutation de magnétisation de commande en fonction de la polarité du courant, nous séparons les contributions des champs dans le plan (IP) et hors plan (OOP) et mettons en œuvre une détection de champ magnétique 3D à l’aide d’un méthode simple, « Vous avez dit. «Nous avons d’abord établi la relation entre la résistance AHE et HX, HOui, Havec basé sur les caractères de symétrie des courbes HR en appliquant des courants positifs et négatifs. « 

Un champ magnétique vectoriel est composé de deux composantes de champ IP (c.-à-d. HX ou HOui) et un composant de champ POO (Havec). Ces trois éléments peuvent conduire à différents mouvements de paroi de domaine (DW) dans la couche CoFeB lorsque des courants positifs et négatifs sont appliqués en utilisant un couple spin-orbite (SOT), ce qui conduit finalement à la modulation de la résistance AHE associée.

Vous et ses collègues avez établi les relations entre la résistance AHE mesurée et les trois composantes orthogonales du champ magnétique vectoriel. Leurs analyses ont montré qu’à certaines plages, ces relations sont linéaires. Par la suite, ils ont utilisé les différents caractères symétriques des mouvements DW dépendants du courant / de la polarité pour séparer les contributions des champs IP et OOP. Cela leur a finalement permis de réaliser une détection de champ magnétique 3D en utilisant un seul appareil SOT.

Le capteur développé par You et son collègue a une plage linéaire comprise entre -10 et +10 Oe pour le champ IP, et entre -4 et +4 Oe pour le champ OOP. Sur la base des caractères de symétrie des courbes RH sous courants positifs et négatifs, les chercheurs ont pu collecter deux valeurs de résistance AHE sous des densités de courant positives et négatives sur l’axe x, qu’ils ont appelé Rxy (+ JX) et Rxy (−JX). « 

Un seul dispositif de couple spin-orbite pour détecter les champs magnétiques 3D

L’équipe de recherche du laboratoire des dispositifs et systèmes écoénergétiques à l’échelle nanométrique (NEEDS) Crédit: Li et al.

« Si ces deux valeurs de résistance AHE sont traitées avec une opération de soustraction, permettant l’élimination de Havec contribution, la résistance nette apportée par seulement HX composant peut être obtenu, « Vous avez expliqué. » Si les deux valeurs sont traitées avec une opération d’addition, la résistance nette contribuée par seulement Havec composant peut être obtenu. De même, nous pouvons obtenir la résistance nette contribuée par seulement HOui composant en appliquant ± JOui. En conséquence, on peut connaître l’ampleur et la direction du champ magnétique vectoriel en composant (HX, HOui, Havec). « 

Vous et ses collègues avez montré qu’il existe une corrélation entre un déplacement linéaire DW et le champ magnétique mesuré par leur appareil sous un courant constant assisté. Ce phénomène spécifique, rarement étudié dans le passé, a joué un rôle clé dans la réalisation d’un seul capteur magnétique vectoriel 3D.

« Notre appareil sépare physiquement les contributions de ses trois composants pour réaliser une détection mono-appareil du champ magnétique vectoriel, ainsi le fait que les trois composantes du champ magnétique mesurées ne soient pas orthogonales ou ne soient pas dans la même position spatiale ne nuit pas à ses performances,  » Tu as dit. «À notre connaissance, c’est la première fois que quelqu’un réalise un capteur magnétique vectoriel 3D à l’aide d’un seul appareil, ce qui a été un défi à relever à la fois dans les milieux universitaires et dans l’industrie électronique.»

La structure simple et le design innovant proposés par Vous et ses collègues pourraient avoir de nombreuses applications intéressantes. Avec les technologies de transistors conventionnelles approchant de leurs limites physiques, de nouvelles technologies telles que le dispositif développé par ces chercheurs pourraient être d’une grande valeur, car elles pourraient ouvrir de nouvelles possibilités pour le développement de dispositifs plus rapides et plus performants.

« D’énormes efforts ont été consacrés dans ce domaine, qui ont permis l’intégration de capteurs, de MEMS, d’optoélectronique, d’appareils RF et d’ondes mm », a-t-il déclaré. « Notre capteur 3D proposé basé sur la technologie spintronique peut être facilement intégré dans la puce à base de Si, par rapport aux approches conventionnelles qui utilisent trois appareils ou plus. »

L’étude pourrait éclairer le développement de nouveaux dispositifs spintroniques et circuits intégrés. De plus, le capteur de champ magnétique 3D qu’ils ont créé pourrait avoir un large éventail d’applications, par exemple permettre la création de nouveaux appareils IoT et GPS.

«À l’avenir, nous allons remplacer les structures d’hétérostructure AHE par des structures MTJ», a-t-il déclaré. « De plus, nous concevons et construisons un système de circuits périphériques et concevons un algorithme approprié afin que notre appareil puisse être utilisé dans des applications pratiques, telles que la navigation et le positionnement ou dans la technologie d’intégration hétérogène et les réseaux de neurones. »


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Plus d’information:
L’invention concerne un dispositif de couple spin-orbite pour détecter des champs magnétiques tridimensionnels. Electronique Nature(2021). DOI: 10.1038 / s41928-021-00542-8

Commutation multiniveau pilotée par couple spin-orbite dans les structures Ta / CoFeB / MgO sans initialisation. Lettres de physique appliquée(2019). DOI: 10.1063 / 1.5079313

© Réseau Science X 2021

Citation: Un seul dispositif de couple spin-orbite pour détecter les champs magnétiques 3D (2021, 9 avril) récupéré le 13 avril 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-04-spin-orbit-torque-device-3d-magnetic. html

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