Une fois la journée a commencé avec une tasse de café et un journal du matin. Aujourd'hui, l'amour du café le matin n'a pas perdu de sa pertinence, mais les médias papier ont été supplantés par les smartphones, tablettes et autres gadgets connectés à Internet. Et il n'y a rien de mal à cela, car le World Wide Web nous permet de recevoir des informations et de communiquer avec des personnes de différentes parties du monde. La quantité de données générées dans le monde augmente constamment chaque jour. Chaque article, photo et même un tweet de deux mots fait partie du vaste champ d'information de plus en plus grand de la Terre. Mais ces données ne sont pas éthérées, elles ne flottent pas dans les nuages, mais sont stockées quelque part. Nos gadgets et nos institutions spécialisées - les centres de données servent de lieu de stockage de données. On s'attend à ce que les bâtiments remplis de serveurs à pleine capacité consomment beaucoup d'énergie. Logiquementqu'au fur et à mesure que le volume global de données augmente, la quantité d'énergie consommée augmentera également. Aujourd'hui, nous examinons une étude dans laquelle des scientifiques de l'Université de Mayence (Allemagne) ont développé une nouvelle technique pour écrire des données sur des serveurs, qui, en théorie, peut réduire de moitié la consommation d'énergie. Quels processus physiques et chimiques sont impliqués dans le développement, qu'ont montré les expériences et le potentiel de ce travail est-il aussi grand que le disent ses auteurs? Nous apprenons cela dans le rapport des scientifiques. Aller.Quels processus physiques et chimiques sont impliqués dans le développement, qu'ont montré les expériences et le potentiel de ce travail est-il aussi grand que le disent ses auteurs? Nous apprenons cela dans le rapport des scientifiques. Aller.Quels processus physiques et chimiques sont impliqués dans le développement, qu'ont montré les expériences et le potentiel de ce travail est-il aussi grand que le disent ses auteurs? Nous apprenons cela dans le rapport des scientifiques. Aller.
Base d'étude
La racine de toute recherche est la spintronique, la science qui étudie le transport du courant de spin. Le spin, à son tour, est le moment cinétique propre d'une particule élémentaire. Ces dernières années, l'intérêt pour la spintronique s'est fortement accru, ce qui a permis de découvrir de nombreuses nouveautés, notamment le courant de commutation utilisant des moments spin-orbite (SOT du couple spin-orbite ) dans la mémoire vive magnétorésistive (MRAM).
Les portes tournantes sont l'un des composants les plus importants de la MRAM. Ces dispositifs sont constitués de deux ou plusieurs matériaux magnétiques conducteurs dont la résistance électrique peut varier entre deux valeurs en fonction de l'alignement relatif de l'aimantation dans les couches.
La commutation induite par la SOT se produit dans les bicouches ferromagnet-métal lourd (FM-HM), où il y a un amortissement significatif (suppression des oscillations) dû au flux de courant électrique le long de la direction x . Les SOT proviennent de l'effet Hall de spin dans la majeure partie du matériau HM et de l'effet galvanique de spin inverse à l'interface FM-HM.
Des études antérieures ont montré que la valeur du SOT amorti peut être suffisamment grande pour changer le sens de l'aimantation à de faibles densités de courant (jusqu'à 10 7 –10 8 A / cm -2 ).
Les paramètres de l'échantillon (par exemple, la composition et l'épaisseur de la couche d'hétérostructure FM-HM) peuvent être ajustés pour déterminer l'ampleur et le signe du SOT. Mais, comme le disent les scientifiques, il est beaucoup plus important d'obtenir un contrôle dynamique en temps réel sur les SOT eux-mêmes.
L'un des outils écoénergétiques pour obtenir ce contrôle est la contrainte mécanique provoquée par un champ électrique. Les scientifiques rappellent qu'en évitant le besoin de courant électrique et en éliminant ainsi les pertes associées, la déformation ajuste efficacement les propriétés magnétiques (comme l'anisotropie magnétique) et donc la structure du domaine magnétique et la dynamique des couches minces dans le plan. De plus, étant donné que la déformation peut être appliquée localement, elle fournit une plate-forme pour le développement et la mise en œuvre de concepts de commutation complexes dans des dispositifs à architecture simplifiée.
Des tentatives ont déjà été faites pour étudier l'effet de la déformation sur la commutation due au SOT, principalement l'effet de la déformation sur l'anisotropie et l'effet résultant sur la commutation. En outre, les recherches précédentes se sont concentrées exclusivement sur les systèmes à axe magnétique plan, et aucune recherche expérimentale n'a été menée dans des matériaux multicouches magnétisés perpendiculairement.
Cependant, selon les auteurs de ce travail, c'est dans les matériaux multicouches magnétisés perpendiculairement que réside un grand potentiel. En particulier, la promesse d'utiliser des systèmes à anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA pour anisotropie magnétique perpendiculaire ) est due à une stabilité thermique accrue, des densités de tassement plus élevées et une mise à l'échelle améliorée.
Dans l'étude que nous envisageons aujourd'hui, les scientifiques ont démontré une commande de tension induite électriquement (mécanique) SOT dans des multicouches W = CoFeB = MgO perpendiculairement magnétisées cultivées sur un substrat piézoélectrique. Les SOT sont estimés par la méthode de quantification secondaire et par la méthode de transport magnétique à des tensions planes de nature et de magnitude différentes.
Résultats de recherche
Il a été constaté que la déformation, modulée par un champ électrique appliqué à un substrat piézoélectrique, entraîne des réponses de spin distinctes.
Image # 1 L'
image 1a montre un schéma d'un capteur Hall de type croisé * utilisé pour mesurer les champs d'amortissement (DL) et de champ (FL) SOT dans un W (5 nm) / CoFeB (0,6 nm) / MgO (2 nm) / Ta ( 3 nm). La multicouche a été cultivée sur un substrat [Pb (Mg 0,33 Nb 0,66 O 3 )] 0,68 (011) (en abrégé PMN-PT), qui a été utilisé pour la génération électrique de contraintes mécaniques. La figure 1b montre l'image de l'appareil prise par un microscope optique.
* — .Une déformation uniaxiale dans le plan a été obtenue en appliquant un champ électrique CC hors plan à un substrat piézoélectrique PMN-PT (011).
: — ; b — ; — .
Typiquement, la réponse de la déformation piézoélectrique à un champ électrique appliqué est l'hystérésis. Cependant, les champs électriques qui dépassent la caractéristique de champ coercitif * du matériau pôles le substrat et aboutissent à un mode dans lequel la déformation générée a une réponse linéaire.
Force coercitive * - la valeur de la force du champ magnétique nécessaire pour démagnétiser complètement la substance.Le mode linéaire est maintenu jusqu'à ce que le substrat soit décalé dans l'autre sens en appliquant des champs électriques supérieurs au champ coercitif opposé. Ainsi, avant les premières mesures, mais après le processus de structuration, une polarisation a été appliquée sur le substrat PMN-PT au moyen d'un champ électrique de +400 kV / m.
De plus, ce sont les champs électriques à courant continu qui ont été utilisés, qui ont permis de modifier la déformation en mode de réponse linéaire, car cela permet un contrôle électrique fiable de la déformation induite.
Il est également intéressant de noter que l'intersection de Hall a été réalisée de manière à ce que ses épaulements soient orientés selon les directions [011] et [100] du substrat PMN-PT (011), qui correspondent respectivement aux directions d'étirement et de compression.
Pour commencer, nous caractérisons l'hystérésis magnétique du système à champ électrique continu nul.
L'image 1b montre la ligne de tension de Hall anormale avec un champ magnétique hors plan (μ0 Hz) mesuré pour W = CoFeB = MgO = Ta à 0 kV / m (ligne rouge), montrant la caractéristique de commutation d'axe facile (axe facile) de ensembles de multicouches CoFeB minces.
Le cycle d'aimantation hors plan mesuré à 400 kV / m (ligne noire) est superposé au dessus de la tension Hall (ligne rouge) et ne montre aucun changement significatif dû à la déformation générée. Cela suggère que le système a toujours une anisotropie magnétique perpendiculaire dominante.
Image n ° 2
Les graphiques ci-dessus montrent les dépendances typiques dans le plan des champs des premier (V 1ω ) et deuxième (V 2ω ) harmoniques de tension Hall lorsqu'un courant alternatif avec une densité j c = 3,8 x 10 10 A / m -2 a été appliqué à la ligne de courant .
La tension CC a été réglée sur 0, donc aucune tension n'a été appliquée à la croix de Hall. Les tracés des champs longitudinal ( 2a ) et transversal ( 2b ) montrent les symétries attendues: pour le champ longitudinal, les pentes V 2ω et les pentes du champ sont les mêmes pour les deux sens d'aimantation suivant + z (+ M z ) ou -z (-M z), tandis que pour le champ transverse leur signe devient opposé.
Ensuite, les scientifiques ont analysé les composantes transversales (μ 0 ΔH T ) et longitudinales (μ 0 ΔH L ) du champ SOT pour les deux directions de magnétisation M z et ont déterminé la valeur moyenne de ces composantes en fonction de la densité de courant appliquée j c ( 2c ).
Image # 3 Les
graphiques ci-dessus montrent les résultats de la dépendance au champ électrique. Il a été déterminé que le champ (FL) SOT ne change pas de manière significative sous les déformations de traction et de compression ( 3a et 3c ). Au contraire, en 3bon peut voir que la déformation en traction double l'amortissement (DL) SOT lorsque 400 kV / m (tension 0,03%) est appliqué.
D'autre part, lorsque le courant circule dans la direction de la déformation par compression, le moment DL diminue avec l'augmentation de la déformation.
Il en résulte que la grandeur DL du moment augmente avec l'application d'une déformation de traction induite électriquement et diminue avec une déformation de compression.
Pour comprendre l'origine microscopique de la dépendance à la déformation observée expérimentalement de FL et DL SOT, des calculs fonctionnels ont été effectués en utilisant la théorie fonctionnelle de la densité de la structure électronique Fe 1 - x Co x / W (001), constituée d'une monocouche magnétisée perpendiculairement et de substrats non magnétiques.
Image n ° 4
Comme le montre 4a , lors des calculs, la structure cristalline s'est volontairement dilatée ou contractée tout en maintenant une aire constante dans le plan de la maille élémentaire pour prendre en compte l'effet de la déformation uniaxiale. Cette déformation peut être quantifiée par le rapport δ = (a ' j - a j ) / a j , où a j et a' j désignent la constante de réseau le long de la direction j dans le plan dans un état détendu et déformé, respectivement. En conséquence, toute déformation finale réduit la symétrie cristalline initiale de C 4v à C 2v .
Sur la base des calculs de la structure électronique, la dépendance de SOT sur δ ( 4b), qui présente les mêmes caractéristiques de qualité que dans l'expérience réelle.
Puisque FL et DL SOT proviennent d'états électroniques différents, ils suivent généralement des dépendances différentes des caractéristiques structurelles. On a constaté que la valeur DL du moment augmente linéairement par rapport à la déformation en traction et diminue linéairement par rapport à la déformation en compression. Par exemple, l'expansion du réseau de 1% le long de la direction du champ électrique augmente considérablement la conductivité des moments DL (d'environ 35%).
Pour évaluer plus précisément cette observation, une comparaison a été faite ( 4c) distributions dans l'espace des contributions microscopiques à DL SOT pour les films détendus et déformés. Contrairement aux états occupés autour du point M, peu importants, les états électroniques proches des points de symétrie élevée sy, X et Y constituent la principale source de conductivité DL. En particulier, la déformation en traction favorise de fortes contributions négatives autour de X et Y, entraînant une augmentation globale de la conductivité.
Pour relier les données obtenues à la structure électronique disponible, les scientifiques ont attiré l'attention sur la polarisation orbitale des états de la couche magnétique, où les électrons d sont la force dominante.
Alors que d xy , d x 2 - y 2 et d z 2ne dépendent pas du signe de la déformation appliquée δ, les états d yz et d zx changent nettement en fonction de la déformation en traction ou en compression. Notamment, ces orbitales assurent également l'hybridation avec le substrat de métal lourd. Il en découle que leur dépendance vis-à-vis des caractéristiques structurelles fournit une compréhension supplémentaire de la SOT dans les couches minces étudiées.
A titre d'exemple, les scientifiques proposent de considérer le changement de déformation dans la densité des états d yz dans la couche magnétique en comparaison avec le cas avec une symétrie de rotation quadruple ( 4d ).
Alors que la densité d'états ↓ * au niveau de Fermi est pratiquement indépendante de la déformation en traction, les états ↑ sont clairement redistribués. Comme le montre la polarisation orbitale à 4e , cet effet est dû à des changements prononcés de polarisation d yz contrôlés par δ autour du point X, qui sont en corrélation avec des changements de conductivité DL ( 4 ).
Canal de rotation * - une des directions de l'orientation de rotation (vers le haut ou vers le bas).En utilisant des données obtenues à partir de calculs de la structure électronique, les scientifiques ont découvert que la nature différente des caractéristiques observées expérimentalement des moments FL et DL découle de changements uniques dans la polarisation orbitale des états électroniques dus aux distorsions du réseau.
L'indice s = ↑, ↓ désigne l'état de spin des électrons dans les ferromagnets: ↑ est la sous-bande de spin de la majorité des électrons, ↓ est la sous-bande de spin de la minorité d'électrons. De plus, l'indice s = ↑, ↓ désigne l'état de spin de l'électron dans les canaux de conduction de spin.
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de vous pencher sur le rapport des scientifiques .
Épilogue
Selon les auteurs du travail, en plus de révéler le rôle clé des états hybrides à l'interface FM-HM, les résultats de l'étude offrent un schéma clair pour les phénomènes de spin-orbite d'origine humaine. En utilisant les interactions complexes du magnétisme de spin et de l'orbite, du couplage spin-orbite et de la symétrie, il est possible d'adapter la valeur SOT dans des dispositifs multicouches, créant une polarisation orbitale d'états proches de l'énergie de Fermi par rapport à la déformation.
Il convient également de noter que cette étude élargit les possibilités de l'ingénierie dans le domaine de la conception de dispositifs avec réglage SOT dynamique dans des systèmes multicouches à aimantation perpendiculaire utilisant une tension commandée électriquement (mécanique).
Cette déclaration forte est due au fait que la déformation peut être générée localement et superposée sur des parties sélectionnées de la région de commutation. Par conséquent, il est possible d'ajuster la densité de courant de sorte que le spin DL puisse contrôler simultanément la direction de la magnétisation dans les zones avec tension, mais n'affecte pas les zones sans tension. Les zones sélectionnées peuvent ensuite être modifiées à la demande en utilisant une configuration de champ électrique différente, offrant un niveau de contrôle supplémentaire.
Tout cela signifie qu'à l'aide de circuits de déformation spécifiques des régions de commutation au moyen de champs électriques, une cellule de mémoire multi-niveaux économe en énergie peut être créée.
L'application de la déformation à la structure étudiée W = CoFeB = MgO au cours des expériences a conduit à des changements nettement différents dans les spins FL et DL. De plus, comme le notent les scientifiques, le spin DL peut être doublé si la déformation en traction est appliquée parallèlement au flux de courant.
En d'autres termes, il est possible d'obtenir un contrôle direct sur les caractéristiques du processus de commutation magnétique en ajustant le champ électrique qui agit sur le cristal piézoélectrique. Cela conduit à une réduction significative de la consommation d'énergie, et permet également de créer des architectures complexes de stockage d'informations.
À l'avenir, les scientifiques prévoient de poursuivre à la fois les expériences pratiques et les calculs connexes afin de savoir où et comment il est possible d'améliorer ce processus complexe. Cependant, malgré la complexité de la création de tels systèmes, leur potentiel est extrêmement élevé, car la réduction de la consommation d'énergie entraîne non seulement des économies pour les fournisseurs et les consommateurs de services de stockage d'informations, mais réduit également considérablement la pression déjà forte de l'humanité sur l'environnement.
Merci de votre attention, restez curieux et bonne semaine de travail, les gars. :)
Un peu de publicité
Merci de rester avec nous. Aimez-vous nos articles? Vous voulez voir du contenu plus intéressant? Soutenez-nous en passant une commande ou en recommandant à des amis, VPS cloud pour les développeurs à partir de 4,99 $ , un analogue unique des serveurs d'entrée de gamme, qui a été inventé par nous pour vous: Toute la vérité sur VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 cœurs) 10 Go DDR4 480 Go SSD 1 Gbps à partir de 19 $ ou comment diviser le serveur correctement? (les options sont disponibles avec RAID1 et RAID10, jusqu'à 24 cœurs et jusqu'à 40 Go de DDR4).
Dell R730xd 2 fois moins cher au centre de données Equinix Tier IV à Amsterdam? Nous avons seulement 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV à partir de 199 $ aux Pays-Bas!Dell R420 - 2x E5-2430 2,2 Ghz 6C 128 Go DDR3 2x960 Go SSD 1 Gbps 100 To - à partir de 99 $! Lisez à propos de Comment construire l'infrastructure de bldg. classe avec l'utilisation de serveurs Dell R730xd E5-2650 v4 coûtant 9000 euros pour un sou?