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日本学者发现全新超节能压控磁存储机制
2017-10-11


[据物理学组织网站2017103日报道] 近日,一个由大阪大学领衔的研究团队发现了通过电压控制实现超节能磁存储的新机制。



磁阻式随机存取存储器(MRAM)是以纳米级磁体作为存储位单元的非易失性磁存储器,需要利用电压实现反向磁化。因此,如果能在纳秒内实现超节能的反磁化过程是最为理想的。然而,由于当前技术限制,压控磁各向异性(VCMA)的大小甚至还达不到应用所需级别的十分之一。因此,利用新材料提升压控磁各向异性效果至关重要。



由于压控磁各向异性与自旋轨道耦合作用相关,研究人员选择采用铁铂|氧化镁(FePt|MgO)系统作为存储单元的基本结构,其中含有铂,可提供很强的自旋轨道耦合。如图1所示,存储单元结构最底层为氧化镁衬底,然后是钯底电极,电极上方是相互交替的铁铂磁体,最上方是氧化镁介电层和钯顶电极。其中最核心的铁铂磁体是利用原子级水平的工艺控制将单原子层铂制备于磁铁表面而构建的。



为验证铁铂|氧化镁系统的压控磁各向异性,研究人员利用SPring-8同步辐射装置所产生的X射线对系统进行了实验测试。通过实验和理论计算,研究人员发现铁铂|氧化镁系统的压控磁各向异性值达到了140 fJ/Vm,并预计采用铁铂|氧化镁体系有望实现超过1000 fJ/Vm的压控磁各向异性水平。研究人员之所以作出上述预测,完全基于一个全新机制的发现。他们在实验中发现通过改变同步辐射装置的电压可以使系统内的磁偶极子发生改变,并将这一发现命名为“磁偶极子感应”机制(B机制)。通过理论计算,研究人员进一步发现新的“磁偶极子感应”机制(B机制)与已经众所周知的“轨道磁矩感应”机制(A机制)之间会产生相互抵消的作用,所以最终显示出的压控磁各向异性值为140 fJ/Vm(如图2所示)。由于AB两种机制的压控磁各向异性水平都能达到甚至超过1000 fJ/Vm,所以通过对材料进行更为合理的动力学设计,使两种机制产生协同效应,完全有可能将系统的压控磁各向异性水平提升至1000 fJ/Vm以上。



该研究团队的研究成果,有望实现比利用现有材料高10倍的压控磁各向异性水平,将极大地降低非易失性存储器的热损耗,从而达到节能的目的。(工业和信息化部电子第一研究所  李铁成)



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