Une stratégie pour surveiller la commutation du couple spin-orbite et l’échange de biais dans le temps

Les mémoires magnétiques à accès aléatoire (MRAM) font partie des technologies de mémoire de nouvelle génération les plus prometteuses. Leurs principaux avantages par rapport aux mémoires informatiques conventionnelles et à d’autres conceptions de mémoire émergentes incluent leur potentiel à atteindre des vitesses remarquablement élevées et leur non-volatilité.

Pour maximiser la vitesse et les performances des MRAM, les ingénieurs doivent être en mesure d’étudier en profondeur leurs mécanismes sous-jacents, en particulier les trajectoires de commutation dans les structures polarisées par échange ferromagnétique/antiferromagnétique. Jusqu’à présent, cependant, les méthodes disponibles pour surveiller ces processus dans le temps restent limitées.

Des chercheurs de l’Université technique de Munich et de l’Université Tsinghua ont récemment démontré la détection résolue dans le temps d’une commutation de couple spin-orbite de l’aimantation et du biais d’échange. La méthode qu’ils ont employée, décrite dans Électronique naturellerepose sur l’utilisation d’outils avancés de microscopie magnétique.

“Pour approcher les vitesses d’écriture les plus élevées possibles avec les MRAM, une connaissance approfondie du processus de commutation de l’aimantation entre ‘0’ et ‘1’ est indispensable”, a déclaré Christian Back, l’un des chercheurs qui a mené l’étude, à TechXplore.

“Cependant, la détection de la commutation d’aimantation était jusqu’à présent limitée à des expériences quasi-statiques et rien n’était connu concernant les échelles de temps ainsi que le processus d’écriture détaillée. Notre groupe est spécialisé dans la microscopie magnétique résolue en temps à haute résolution temporelle (1 picoseconde temporelle et résolution spatiale d’environ 300 nm), il était donc naturel pour nous d’étudier ce processus en détail.”

Les travaux récents de Back, Yuyan Wang et leurs collègues s’appuient sur plusieurs études antérieures, où ils ont utilisé des techniques de microscopie magnétique à résolution temporelle pour examiner des structures plus simples. Dans leur étude actuelle, ils ont spécifiquement utilisé une pompe-sonde stroboscopique pour surveiller la trajectoire de commutation d’un élément magnétique. Cette technique leur a permis d’enregistrer un “film magnétique” du processus de commutation se déroulant dans le temps, avec des résolutions temporelles et spatiales élevées.

“Dans notre cas, l’impulsion de pompe est une impulsion de courant envoyée à travers l’une des couches de l’élément MRAM prototype et notre impulsion de sonde est une impulsion laser qui permet la détection de l’état magnétique”, a expliqué Back. “Nous enregistrons ainsi des trajectoires de commutation ou des films entiers et les comparons avec des simulations réalistes de l’ensemble de l’élément magnétique. Cela nous permet enfin d’extraire les paramètres pertinents pour le processus de commutation et nous permet de faire une déclaration ferme sur le processus de commutation dans son ensemble. “

En expérimentant les paramètres de l’impulsion de courant qu’ils ont utilisés, les chercheurs ont finalement obtenu une commutation à plusieurs niveaux de l’aimantation et de la polarisation d’échange antiferromagnétique sur une échelle de temps inférieure à la nanoseconde, deux processus qui se sont avérés liés à la formation de structures à domaines multiples à l’interface antiferromagnétique. Ils ont également montré que la commutation induite par le couple spin-orbite de la polarisation d’échange dans leur prototype de MRAM pouvait stabiliser la commutation de magnétisation à plusieurs niveaux dans la courte impulsion de courant, améliorant ainsi la stabilité du dispositif.

“Nous avons fait des progrès significatifs concernant l’étude de la dynamique de spin des dispositifs de mémoire basés sur le couple spin-orbite (SOT) avec une résolution temporelle bien meilleure que 100 ps”, a déclaré Back. “En adoptant la microscopie Kerr magnéto-optique résolue en temps, combinée à des simulations micromagnétiques, les auteurs ont découvert un processus de commutation à plusieurs niveaux de la magnétisation et du biais d’échange dans les dispositifs SOT sur des échelles de temps inférieures à la nanoseconde.”

Les découvertes recueillies par Back, Wang et leurs collègues mettent en évidence des stratégies prometteuses qui pourraient permettre aux ingénieurs de contrôler de manière flexible les processus clés qui sous-tendent le fonctionnement des dispositifs MRAM, améliorant ainsi leur stabilité. À l’avenir, leurs travaux pourraient ouvrir la voie au développement de SOT-MRAM avec des multi-bits pouvant fonctionner à des vitesses de plus en plus rapides, ce qui pourrait être particulièrement prometteur pour les applications de calcul neuromorphique et de calcul en mémoire.

“Nous prévoyons maintenant de continuer à étudier la dynamique de spin des dispositifs SOT-MRAM comprenant de nouveaux matériaux (par exemple, des matériaux 2D) et de nouvelles structures, afin d’améliorer encore leur vitesse de fonctionnement et de réduire la consommation d’énergie”, a ajouté Back.

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