Un phénomène inattendu connu sous le nom de commutation à champ nul (ZFS) pourrait entraîner une des dispositifs de mémoire et de calcul moins puissants que ce qui est actuellement possible. L'image montre une superposition de platine (Pt), tungstène (W), et un aimant cobalt-fer-bore (CoFeB) pris en sandwich aux extrémités par des électrodes en or (Au) sur une surface en silicium (Si). Les flèches grises représentent la direction globale du courant électrique injecté dans la structure à l'arrière du contact en or (Au) et sortant de la plage de contact en or avant.

La couche de CoFeB est un aimant d'un nanomètre d'épaisseur qui stocke un peu de données. Un "1" correspond à l'aimantation du CoFeB pointant vers le haut (flèche vers le haut), et un "0" représente l'aimantation pointant vers le bas (flèche vers le bas). Le « 0 » ou « 1 » peut être lu à la fois électriquement et optiquement, à mesure que l'aimantation modifie la réflectivité de la lumière qui brille sur le matériau par le biais d'un autre phénomène connu sous le nom d'effet Kerr magnéto-optique (MOKE).

Dans l'appareil, le courant électrique peut faire basculer l'état des données entre 0 et 1. Les appareils précédents de ce type ont également nécessité un champ magnétique ou d'autres mesures plus complexes pour modifier la magnétisation du matériau. Ces appareils antérieurs ne sont pas très utiles pour la construction stable, dispositifs de mémoire non volatile.

Une percée s'est produite dans une collaboration de recherche entre l'Université Johns Hopkins et le NIST. L'équipe a découvert qu'elle pouvait inverser la magnétisation du CoFeB de manière stable entre les états 0 et 1 en envoyant uniquement du courant électrique à travers les couches métalliques Pt et W adjacentes au nano-aimant CoFeB. Ils n'avaient pas besoin de champ magnétique. Cet effet ZFS (zero-field commutation) était une surprise et n'avait pas été théoriquement prédit.

Dans leur travail, les chercheurs ont créé un type spécial de courant électrique connu sous le nom de courant « spin ». Les électrons qui transportent le courant électrique possèdent une propriété connue sous le nom de spin qui peut être imaginée comme un barreau aimanté pointant dans une direction spécifique à travers l'électron. De plus en plus exploitée dans le domaine émergent connu sous le nom de « spintronique, " Le courant de spin est simplement un courant électrique dans lequel les spins des électrons pointent dans la même direction. Lorsqu'un électron se déplace à travers le matériau, l'interaction entre son spin et son mouvement (appelé couple spin-orbite, SOT) crée un courant de spin où les électrons avec un état de spin se déplacent perpendiculairement au courant dans une direction et les électrons avec l'état de spin opposé se déplacent dans la direction opposée. Les spins résultants qui se sont déplacés à côté de la couche magnétique de CoFeB exercent un couple sur cette couche, provoquant le renversement de sa magnétisation. Sans le courant de spin, la magnétisation du CoFeB est stable contre les fluctuations de courant et de température. Cet effet ZFS inattendu pose de nouvelles questions aux théoriciens sur le mécanisme sous-jacent du phénomène de commutation induit par SOT observé.

Les détails du couple spin-orbite sont illustrés dans le diagramme. Les flèches violettes montrent les spins des électrons dans chaque couche. La flèche courbe bleue indique la direction dans laquelle les spins de ce type sont déviés. (Par exemple, dans la couche W, les électrons avec un spin vers la gauche dans le plan xy sont déviés pour se déplacer vers le haut vers le CoFeB et les spins des électrons vers la droite sont déviés pour descendre vers le Pt.) Notez les spins des électrons dans le Pt avec un spin vers la droite (dans le plan xy), cependant, sont déviés pour se déplacer vers le haut vers le W et les spins des électrons avec un spin vers la gauche sont déviés pour se déplacer vers le bas vers le Si. Ceci est opposé à la direction dans laquelle les électrons tournent dans le W, et cela est dû aux différences dans le SOT subi par les électrons se déplaçant à travers Pt et ceux se déplaçant à travers W. En fait, c'est cette différence dans la façon dont les électrons se déplacent à travers chacun de ces deux conducteurs qui peut être importante pour permettre l'effet ZFS inhabituel.

L'équipe de recherche, dont les scientifiques du NIST Daniel Gopman, Robert Shull, et le chercheur invité du NIST Yury Kabanov, et les chercheurs de l'Université Johns Hopkins Qinli Ma, Yufan Li et le professeur Chia-Ling Chien, rendent compte de leurs conclusions aujourd'hui dans Lettres d'examen physique .

Les recherches en cours des chercheurs visent à identifier d'autres matériaux potentiels qui permettent la commutation à champ nul d'un seul nano-aimant perpendiculaire, ainsi que de déterminer comment le comportement ZFS change pour les nano-aimants possédant des tailles latérales plus petites et de développer les bases théoriques de ce phénomène de commutation inattendu.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.