La commutation de magnétisation du couple spin-orbite (SOT) est un phénomène induit par un courant de spin, qui est à son tour généré par un courant de charge. Déclencher ce phénomène pourrait aider à manipuler l'aimantation dans les dispositifs spintroniques, potentiellement augmenter leurs performances.

Malgré leurs avantages potentiels, jusque là, la plupart des systèmes de couple spin-orbite ferromagnétique se sont avérés limités dans leur vitesse de fonctionnement, principalement en raison de leur dynamique de magnétisation inhérente. Certaines études ont suggéré que les matériaux antiferromagnétiques et ferrimagnétiques, qui contiennent des groupes d'atomes avec des moments magnétiques opposés, pourrait aider à surmonter cette limitation, permettant une dynamique de rotation plus rapide.

Une équipe de recherche de l'Université nationale de Singapour mène depuis plusieurs années des recherches sur la commutation de couple spin-orbite dans des ferrimagnétiques compensés. Dans une étude récente publiée dans Nature Électronique , ils ont réussi à obtenir une commutation de magnétisation SOT ultrarapide dans des dispositifs en alliage ferrimagnétique cobalt-gadolinium (CoGd).

"Nous avons travaillé sur la commutation de magnétisation induite par le courant dans divers matériaux magnétiques, " Kaiming Cai, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, a déclaré TechXplore. "Nos travaux récents démontrent directement le fonctionnement ultrarapide de la commutation d'aimantation dans un dispositif ferrimagnétique CoGd, combinée à une faible consommation d'énergie."

Dans leurs études précédentes, les chercheurs ont identifié une série de phénomènes physiques caractéristiques se produisant dans les ferrimagnétiques. Par exemple, ils ont découvert que ces matériaux présentent des efficacités SOT améliorées en raison d'une propriété connue sous le nom d'interaction d'échange négative. Plus récemment, Hyunsoo Yang, qui a dirigé l'équipe de recherche, et certains de ses collègues ont également observé une longue longueur de cohérence de spin et des caractéristiques de couple de type volume dans une multicouche ferrimagnétique.

"Nos travaux précédents ont mis en évidence de forts couples induits par le courant et une efficacité de commutation élevée dans les dispositifs SOT ferrimagnétiques, " a dit Yang. " Dans notre nouvelle étude, nous voulions dévoiler la physique sous-jacente de l'efficacité élevée du SOT dans les ferri-aimants compensés. D'un point de vue applicatif, nous avons conçu une mémoire sub-nanoseconde et basse consommation basée sur des ferri-aimants."

La commutation ultrarapide et économe en énergie est une propriété inhérente aux matériaux ferrimagnétiques. Les liaisons Co-Gd couplées antiferromagnétiquement dans le matériau étudié par Yang et ses collègues accélèrent le transfert de moment angulaire de spin, ce qui se traduit par une commutation plus rapide pour les dispositifs SOT ferrimagnétiques.

Les chercheurs ont collecté des mesures résolues en temps à l'aide d'une technique de pompe-sonde stroboscopique. Cela leur a permis d'observer directement la dynamique de commutation SOT au fil du temps, en les comparant ensuite à ceux observés dans les matériaux ferromagnétiques.

« Dans nos expériences, nous avons pu mesurer directement la durée du courant d'impulsion et le temps de commutation, " a déclaré Yang. " Les dispositifs ferrimagnétiques peuvent être commutés par une impulsion de courant inférieure à la nanoseconde dans un temps de commutation inférieur à la nanoseconde. En outre, nous avons extrait la vitesse de la paroi du domaine pendant la commutation SOT."

En ajustant la composition de l'alliage ferrimagnétique, Yang et ses collègues ont pu réduire le temps de commutation dans le dispositif ferrimagnétique CoGd à des sous-nanosecondes, atteindre une vitesse de paroi de domaine de 5,7 km/s. Remarquablement, c'est l'une des vitesses de paroi de domaine induites par le courant les plus élevées à température ambiante rapportées dans la littérature jusqu'à présent.

« Réduire simultanément le temps de commutation et la puissance dans les dispositifs de mémoire modernes est désormais de la plus haute importance, " a déclaré Cai. "Nous avons démontré un temps de commutation inférieur à la nanoseconde et une consommation d'énergie inférieure d'un à deux ordres de grandeur à celle des systèmes SOT ferromagnétiques conventionnels."

Les résultats pourraient avoir plusieurs implications, à la fois pour la recherche future et pour le développement de nouveaux appareils. En réalité, en plus de fournir de nouvelles informations sur la commutation SOT dans les matériaux ferrimagnétiques, leur travail introduit un nouvel ultrarapide, appareil économe en énergie et très prometteur.

À l'avenir, le dispositif présenté dans leur étude pourrait être utilisé pour concevoir des mémoires non volatiles, qui pourraient potentiellement remplacer les mémoires caches utilisées dans de nombreux CPU actuels, ouvrant finalement la voie à des applications informatiques en mémoire efficaces. Considérant que des matériaux ferrimagnétiques similaires ont été commercialisés pour les disques magnéto-optiques en 1998 et appliqués à l'échelle du gigaoctet au début des années 2000, l'appareil pourrait s'avérer être une voie commerciale viable pour les technologies de mémoire.

Alors que les premiers tests menés par Yang et leurs collègues démontrent le potentiel de leur appareil, plusieurs problèmes doivent encore être résolus avant de pouvoir être mis en œuvre à grande échelle. Par exemple, permettre une commutation déterministe dans le dispositif nécessite actuellement un champ magnétique externe, ce qui limite considérablement son utilisation dans les applications de mémoire vive magnétorésistive (MRAM) SOT.

"Supprimer la nécessité du champ magnétique externe sera l'une des orientations clés de nos futurs travaux de recherche, " Yang a déclaré. "Cela peut être réalisé par l'ingénierie des matériaux et des structures de l'appareil. Pendant ce temps, nous travaillerons sur la poursuite d'une commutation plus rapide et plus économe en énergie, ce qui pourrait nous aider à réaliser une commutation SOT avec l'échelle de temps jusqu'à des dizaines de picosecondes voire plusieurs picosecondes en régime."

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