自旋電子學:磁記憶狀態呈指數變化

2020-12-03 量子認知

自旋電子學是納米電子學的蓬勃發展分支，除傳統電子學中使用的電子電荷外，它還利用電子的自旋及其相關的磁矩。自旋電子學的主要實際貢獻是在磁傳感和非易失性磁數據存儲方面，研究人員在開發基於磁的處理和新型磁存儲方面尋求突破。

自旋電子器件通常由磁性元件組成，這些磁性元件由穩定磁態之間的自旋極化電流控制。使用自旋電子設備存儲數據時，穩定狀態的數量設置了存儲容量的上限。目前的磁存儲單元具有對應於兩個存儲狀態的兩個穩定的磁狀態，但是增加這種狀態的數目具有明顯的優勢，它將潛在地允許增加存儲密度並實現新穎類型的存儲器的設計。

過去的研究表明，當由外部磁場穩定時，由兩個、三個、或四個交叉橢圓組成的結構僅支持2N個剩餘狀態。現在，以色列規模第二大的學術研究機構：巴伊蘭大學及其納米技術與先進材料研究所最近的研究表明，相對簡單的N個橢圓形的磁性薄膜結構可以實現2的2N次方的穩定化狀態，這比以前所認為的要大得多。該最新研究成果論文作為封面特色文章出現在最近的《應用物理通訊》雜誌上。

如圖所示顯示了由結構支撐的模擬磁態的示例，以及使用掃描電子顯微鏡拍攝的設備本身的圖片。

該研究表明，可以單獨控制每個橢圓甚至每個邊緣的磁化強度，從而實現2的2N次方的穩定化剩餘狀態，包括在重疊區域顯示疇壁的狀態。每個結構的大量狀態，以及在沒有任何外部磁場的情況下在狀態之間進行切換的能力。

該項新研究表明，相對簡單的結構不僅可以支持指數級的磁態，而且通過產生自旋電流可以在這些狀態之間進行切換。他們的結果可能為每個單元具有大量狀態的多級磁存儲器鋪平道路，也可以在神經形態計算的開發中應用，等等。

研究論文主導、利爾·克萊納（Lior Kleina）教授表示，該研究以相對簡單的結構穩定和控制指數形式的離散磁態的能力成為了對於自旋電子學的一個主要貢獻。「這一發現可能為多級磁存儲器鋪平了道路，每個單元具有非常多的狀態，例如，當N=4時為256個狀態，可用於神經形態計算等，使此類結構有望用於包括存儲設備在內的各種自旋電子學應用」。

參考：Stabilization of exponential number of discrete remanent states with localized spin–orbit torques, Applied Physics Letters (2020). DOI: 10.1063/5.0005964

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