Переключение намагниченности остаётся одним из основных применений спинтронных устройств.
«Полезные устройства, такие как магнитная память или логические схемы, требуют возможности переключать отдельные магнитные биты, не нарушая работу соседних, — объясняет Мехрдад Эляси, член AIMR. — Это означает, что технологически значимые решения не должны требовать глобальных магнитных полей или мощных токов для достижения локализованного детерминированного переключения».
Для этого перспективный подход использует квазичастицы, называемые магнонами — волнообразные магнитные возмущения, которые в принципе можно локализовать, направлять или даже генерировать локально, особенно используя наноструктуры с рисунком или импульсные возбуждения.
Однако недавняя работа с материалами, имеющими перпендикулярную магнитную анизотропию (PMA), идеальными для памяти высокой плотности, показала, что магноны могут надёжно переключать намагниченность только в присутствии внешнего магнитного поля.
Чтобы преодолеть это, исследователям нужен был способ создания контролируемых, перпендикулярных спин-поляризованных токов магнонов, достаточно сильных для детерминированного переключения материалов PMA — без использования внешних полей.
В статье 2024 года, опубликованной в Nature Nanotechnology, Эляси и его коллеги решили эту задачу, используя симметрию кристалла и угол кантования спинов в WTe₂ для генерации желаемого магнонного крутящего момента в гетероструктуре WTe₂/NiO/CoFeB. Команда использовала низкую симметрию WTe₂ для создания спин-поляризованных электронов с компонентами как в плоскости, так и перпендикулярно плоскости, которые были введены в соседний слой NiO. Антиферромагнитный изолятор NiO затем преобразовал спиновый ток в магнонные токи, сохранив их исходное направление поляризации — небольшой угол кантования примерно 8,5° перпендикулярно плоскости.
«Наклон перпендикулярно плоскости, сохраняемый оптимальной толщиной NiO в 25 нанометров, является ключевой особенностью, которая обеспечивает антидемпферный магнонный крутящий момент, необходимый для детерминированного переключения перпендикулярной намагниченности ферромагнетика CoFeB без какого-либо внешнего магнитного поля», — говорит Эляси. «Более того, действуя как изолирующий разделитель, слой NiO помогает решить проблемы тепловой стабильности, уменьшая влияние джоулева нагрева на слой CoFeB — ключевая задача при уменьшении размеров магнитных элементов».
Помимо демонстрации переключения перпендикулярной намагниченности без поля при комнатной температуре с критической плотностью тока всего 4 × 10⁶ А/см², авторы также показали, что введение слоя PtTe₂ повышает проводимость в плоскости, сохраняя при этом перпендикулярное кантование спинов — снижая потребление энергии в 190 раз по сравнению с более ранними системами.
Эти результаты предполагают, что использование симметрии кристалла и кантования спинов в сочетании с переносом магнонов позволяет создавать надёжные, энергоэффективные переключатели. Работа представляет собой план для будущих устройств спинтронной памяти с низким энергопотреблением, основанных на токах магнонов.
В качестве следующего шага исследователи планируют изучить, как нелинейные взаимодействия между магнонами могут дополнительно способствовать передаче спинового углового момента от NiO к магнитному слою.
Предоставлено Тохокуским университетом.