Uma vez que o dia começou com uma xícara de café e um jornal da manhã. Hoje em dia, o amor ao café pela manhã não perdeu sua relevância, mas os meios de comunicação de papel foram substituídos por smartphones, tablets e outros aparelhos conectados à Internet. E não há nada de errado nisso, porque a World Wide Web nos permite receber informações e nos comunicar com pessoas de diferentes partes do mundo. A quantidade de dados gerados no mundo está aumentando constantemente a cada dia. Todo artigo, foto e até um tweet de duas palavras fazem parte do vasto e crescente campo de informações da Terra. Mas esses dados não são etéreos, eles não flutuam nas nuvens, mas são armazenados em algum lugar. Tanto nossos gadgets quanto instituições especializadas - data centers servem como local de armazenamento de dados. Espera-se que os edifícios cheios de capacidade com servidores consumam muita energia. Logicamenteque à medida que o volume global de dados aumenta, também aumenta a quantidade de energia consumida. Hoje, examinamos um estudo no qual cientistas da Universidade de Mainz (Alemanha) desenvolveram uma nova técnica para gravar dados em servidores, o que, em teoria, pode reduzir o consumo de energia pela metade. Quais processos físicos e químicos estão envolvidos no desenvolvimento, o que os experimentos mostraram e qual é o potencial desse trabalho tão grande quanto dizem seus autores? Aprendemos sobre isso com o relatório dos cientistas. Ir.Quais processos físicos e químicos estão envolvidos no desenvolvimento, que experimentos mostraram e qual é o potencial desse trabalho tão grande quanto seus autores dizem? Aprendemos sobre isso com o relatório dos cientistas. Ir.Quais processos físicos e químicos estão envolvidos no desenvolvimento, que experimentos mostraram e qual é o potencial desse trabalho tão grande quanto seus autores dizem? Aprendemos sobre isso com o relatório dos cientistas. Ir.
Base de estudo
A raiz de todas as pesquisas é a spintrônica, a ciência que estuda o transporte de rotação atual. O spin, por sua vez, é o momento angular adequado de uma partícula elementar. Nos últimos anos, o interesse pela spintrônica aumentou bastante, o que tornou possível descobrir muitas coisas novas, incluindo a troca de corrente usando momentos de rotação-órbita (SOT do torque de rotação-órbita ) na memória de acesso aleatório magnetoresistiva (MRAM).
Os portões giratórios são um dos componentes mais importantes do MRAM. Esses dispositivos consistem em dois ou mais materiais magnéticos condutores, cuja resistência elétrica pode variar entre dois valores, dependendo do alinhamento relativo da magnetização nas camadas.
A comutação induzida por SOT ocorre em bicamadas de ferro-ímã-metal pesado (FM-HM), onde há amortecimento significativo (supressão de oscilações) devido ao fluxo de corrente elétrica ao longo da direção x . Os SOTs surgem do efeito Hall de spin na maior parte do material HM e do efeito galvânico de spin reverso na interface FM-HM.
Estudos anteriores demonstraram que o valor do SOT amortecido pode ser grande o suficiente para mudar a direção da magnetização em baixas densidades de corrente (até 10 7 a 10 8 A / cm -2 ).
Os parâmetros de amostra (por exemplo, composição e espessura da camada de heteroestrutura FM-HM) podem ser ajustados para determinar a magnitude e o sinal do SOT. Mas, como dizem os cientistas, é muito mais importante obter controle dinâmico em tempo real dos SOTs.
Uma das ferramentas energeticamente eficientes para obter esse controle é o estresse mecânico causado por um campo elétrico. Os cientistas lembram que, evitando a necessidade de corrente elétrica e eliminando as perdas associadas, a deformação efetivamente ajusta as propriedades magnéticas (como a anisotropia magnética) e, portanto, a estrutura do domínio magnético e a dinâmica dos filmes finos no plano. Além disso, como a deformação pode ser aplicada localmente, fornece uma plataforma para o desenvolvimento e implementação de conceitos complexos de comutação em dispositivos com uma arquitetura simplificada.
Já foram feitas tentativas para investigar o efeito da deformação na comutação devido ao SOT, principalmente o efeito da deformação na anisotropia e o efeito resultante na comutação. Além disso, pesquisas anteriores se concentraram exclusivamente em sistemas com um eixo magnético plano e nenhuma pesquisa experimental foi realizada em materiais multicamadas magnetizados perpendicularmente.
No entanto, segundo os autores deste trabalho, é em materiais multicamada magnetizados perpendicularmente que existe um grande potencial. Em particular, a promessa de usar sistemas com anisotropia magnética perpendicular (PMA para anisotropia magnética perpendicular ) é devida ao aumento da estabilidade térmica, densidades de empacotamento mais altas e melhor dimensionamento.
No estudo que estamos considerando hoje, os cientistas demonstraram SOT de controle de tensão induzido eletricamente (mecânico) em multicamadas W = CoFeB = MgO magnetizadas perpendicularmente crescidas em um substrato piezoelétrico. Os SOTs são estimados pelo método secundário de quantização e pelo método de transporte magnético em tensões planas de natureza e magnitude diferentes.
Resultados da pesquisa
Verificou-se que a deformação, modulada por um campo elétrico aplicado a um substrato piezoelétrico, resulta em respostas distintas de rotação.
Imagem # 1 A
imagem 1a mostra um esquema de um sensor Hall do tipo cruzado * usado para medir campos SOT de amortecimento (DL) e campo (FL) em campos W (5 nm) / CoFeB (0,6 nm) / MgO (2 nm) / Ta ( 3 nm). A multicamada foi cultivada em um substrato [Pb (Mg 0,33 Nb 0,66 O 3 )] 0,68 (011) (abreviado como PMN-PT), usado para geração elétrica de tensões mecânicas. Em 1b mostra a foto do dispositivo tirada por um microscópio óptico.
* — .A deformação uniaxial no plano foi obtida pela aplicação de um campo elétrico DC fora do plano a um substrato piezoelétrico de PMN-PT (011).
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Normalmente, a resposta da deformação piezoelétrica a um campo elétrico aplicado é a histerese. No entanto, campos elétricos que excedem a característica de campo coercitivo * do material polo do substrato e resultam em um modo no qual a tensão gerada tem uma resposta linear.
Força coercitiva * - o valor da força do campo magnético necessário para desmagnetizar completamente a substância.O modo linear é mantido até que o substrato seja deslocado na outra direção, aplicando campos elétricos maiores que o campo coercitivo oposto. Portanto, antes das primeiras medições, mas após o processo de estruturação, uma polarização foi aplicada ao substrato PMN-PT por meio de um campo elétrico de +400 kV / m.
Além disso, foram os campos elétricos de corrente contínua que permitiram alterar a deformação no modo de resposta linear, pois isso fornece controle elétrico confiável sobre a deformação induzida.
Também é importante notar que a interseção de Hall foi feita para que seus ombros fossem orientados ao longo das direções [011] e [100] do substrato PMN-PT (011), que correspondem às direções de alongamento e compressão, respectivamente.
Para começar, a histerese magnética do sistema foi caracterizada em campo elétrico zero DC.
A Figura 1b mostra a linha de tensão anômala de Hall com um campo magnético fora do plano (μ0 Hz) medido para W = CoFeB = MgO = Ta a 0 kV / m (linha vermelha), mostrando as características de comutação do eixo fácil (eixo fácil) conjuntos de multicamadas CoFeB finas.
O ciclo de magnetização fora do plano, medido a 400 kV / m (linha preta), é sobreposto à tensão Hall (linha vermelha) e não mostra alterações significativas devido à tensão gerada. Isso sugere que o sistema sempre tem uma anisotropia magnética perpendicular dominante.
Imagem No. 2
Os gráficos acima mostram dependências no plano típicas dos campos dos primeiros (V 1ω ) e segundo (V 2ω ) harmônicos da tensão de Hall, quando uma corrente alternada com densidade de j c = 3,8 x 10 10 A / m -2 foi aplicada à linha de corrente .
A voltagem CC foi definida como 0, portanto, nenhuma voltagem foi aplicada ao cruzamento de Hall. As plotagens dos campos longitudinais ( 2a ) e transversais ( 2b ) mostram as simetrias esperadas: para o campo longitudinal, as inclinações V 2ω e as inclinações do campo são as mesmas para as duas direções de magnetização ao longo de + z (+ M z ) ou -z (-M z), enquanto que para o campo transversal, seu sinal se torna oposto.
Em seguida, os cientistas analisaram os componentes transversal (μ 0 ΔH T ) e longitudinal (μ 0 ΔH L ) do campo SOT para ambas as direções de magnetização M z e determinaram o valor médio desses componentes em função da densidade de corrente aplicada j c ( 2c ).
Imagem nº 3 Os
gráficos acima mostram os resultados da dependência do campo elétrico. Foi determinado que o campo (FL) SOT não muda significativamente sob deformações de tração e compressão ( 3a e 3c ). Pelo contrário, em 3bpode-se observar que a deformação à tração duplica o SOT de amortecimento (DL) quando é aplicado 400 kV / m (tensão de 0,03%).
Por outro lado, quando a corrente flui na direção da deformação de compressão, o valor DL do momento diminui com o aumento da deformação.
A partir daí, a magnitude DL do momento aumenta com a aplicação de uma deformação elástica induzida eletricamente e diminui com uma deformação compressiva.
Para compreender a origem microscópica da dependência de deformação observada experimentalmente de FL e DL SOT, foram realizados cálculos funcionais usando a teoria funcional de densidade da estrutura eletrônica Fe 1 - x Co x / W (001), consistindo de uma monocamada magnetizada perpendicularmente e substratos não magnéticos.
Imagem No. 4
Como mostrado em 4a , durante os cálculos, a estrutura cristalina expandiu-se ou contraiu-se deliberadamente, mantendo uma área constante no plano da célula unitária, a fim de levar em consideração o efeito da deformação uniaxial. Esta deformação pode ser quantificada pela razão δ = (a ' j - um j ) / um J , onde um j e um' j denotar a constante de rede ao longo da j-sentido no plano num estado relaxado e distorcida, respectivamente. Como conseqüência, qualquer deformação final reduz a simetria inicial do cristal de C 4v para C 2v .
Com base nos cálculos da estrutura eletrônica, a dependência do SOT em δ ( 4b), que exibe as mesmas características de qualidade da experiência real.
Como FL e DL SOT vêm de diferentes estados eletrônicos, eles geralmente seguem diferentes dependências de recursos estruturais. Verificou-se que o valor DL do momento aumenta linearmente em relação à deformação à tração e diminui linearmente em relação à deformação por compressão. Por exemplo, a expansão da rede em 1% na direção do campo elétrico aumenta significativamente a condutividade dos momentos de DL (em cerca de 35%).
Para avaliar com mais precisão essa observação, foi feita uma comparação ( 4c) distribuições no espaço de contribuições microscópicas para DL SOT para filmes relaxados e deformados. Ao contrário dos estados ocupados em torno do ponto M, que são pouco importantes, os estados eletrônicos próximos aos pontos de alta simetria Γ, X e Y constituem a principal fonte de condutividade do DL. Em particular, a deformação à tração promove fortes contribuições negativas em torno de X e Y, resultando em um aumento geral na condutividade.
Para conectar os dados obtidos com a estrutura eletrônica disponível, os cientistas chamaram a atenção para a polarização orbital dos estados na camada magnética, onde d elétrons são a força dominante.
Enquanto d xy , d x 2 - y 2 e d z 2não dependem do sinal da deformação aplicada δ, os estados d yz e d zx mudam claramente em relação à deformação por tração ou compressão. Notavelmente, esses orbitais também mediam a hibridação com o substrato de metal pesado. Daqui resulta que sua dependência de características estruturais fornece uma compreensão adicional do SOT nos filmes finos em estudo.
Como exemplo, os cientistas propõem considerar a mudança de deformação na densidade dos estados d yz na camada magnética em comparação com o caso com simetria rotacional quádrupla ( 4d ).
Enquanto a densidade dos estados ↓ * no nível de Fermi é praticamente independente da deformação à tração, os estados ↑ são claramente redistribuídos. Como mostra a polarização orbital em 4e , esse efeito é devido a alterações pronunciadas controladas por δ na polarização d yz em torno do ponto X, que se correlaciona com alterações na condutividade DL ( 4 ).
Canal de rotação * - um dos sentidos da orientação da rotação (para cima ou para baixo).Usando dados obtidos a partir de cálculos da estrutura eletrônica, os cientistas descobriram que a natureza diferente das características observadas experimentalmente dos momentos FL e DL decorre de mudanças únicas na polarização orbital dos estados eletrônicos devido a distorções da rede.
O subscrito s = ↑, ↓ denota o estado de spin dos elétrons nos ferromagnetos: ↑ é a sub-banda de spin da maioria dos elétrons, ↓ é a sub-banda de spin da minoria de elétrons. Além disso, o subscrito s = ↑, ↓ denota o estado de rotação do elétron nos canais de condução da rotação.
Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas .
Epílogo
Segundo os autores do trabalho, além de revelar o papel principal dos estados hibridizados na interface FM-HM, os resultados do estudo oferecem um esquema claro para os fenômenos spin-orbitais feitos pelo homem. Usando as complexas interações de spin e magnetismo orbital, acoplamento spin-órbita e simetria, pode-se adaptar o valor SOT em dispositivos multicamadas, criando polarização orbital de estados próximos à energia Fermi em relação à tensão.
Também é importante notar que este estudo expande as possibilidades da engenharia no campo de projetar dispositivos com ajuste dinâmico de SOT em sistemas multicamadas magnetizados perpendicularmente usando tensão controlada eletricamente (mecânica).
Esta declaração alta deve-se ao fato de que a deformação pode ser gerada localmente e sobreposta em partes selecionadas da região de comutação. Portanto, é possível ajustar a densidade da corrente para que o spin DL possa controlar simultaneamente a direção da magnetização em áreas com tensão, mas não afetar áreas sem tensão. As áreas selecionadas podem ser modificadas sob demanda usando uma configuração de campo elétrico diferente, fornecendo um nível adicional de controle.
Tudo isso significa que, com a ajuda de circuitos de deformação específicos das regiões de comutação por meio de campos elétricos, é possível criar uma célula de memória de vários níveis com eficiência energética.
A aplicação da deformação na estrutura investigada W = CoFeB = MgO durante os experimentos levou a alterações distintas nas rotações FL e DL. Além disso, como observam os cientistas, o spin DL pode ser duplicado se a deformação elástica for aplicada paralelamente ao fluxo de corrente.
Em outras palavras, é possível obter controle direto sobre as características do processo de comutação magnética ajustando o campo elétrico que atua no cristal piezoelétrico. Isso leva a uma redução significativa no consumo de energia e também possibilita a criação de arquiteturas complexas para armazenamento de informações.
No futuro, os cientistas planejam continuar os experimentos práticos e os cálculos relacionados, a fim de descobrir onde e como é possível melhorar esse processo complexo. No entanto, apesar da complexidade da criação de tais sistemas, seu potencial é extremamente grande, porque reduzir o consumo de energia leva não apenas a economias para provedores e consumidores de serviços de armazenamento de informações, mas também reduz significativamente a já forte pressão da humanidade sobre o meio ambiente.
Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal. :)
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