Una vez que el día comenzó con una taza de café y un periódico de la mañana. En estos días, el amor por el café en la mañana no ha perdido su relevancia, pero los medios de comunicación en papel han sido reemplazados por teléfonos inteligentes, tabletas y otros dispositivos conectados a Internet. Y eso no tiene nada de malo, porque la World Wide Web nos permite recibir información y comunicarnos con personas de diferentes partes del mundo. La cantidad de datos generados en el mundo aumenta constantemente cada día. Cada artículo, foto e incluso un tweet de dos palabras es parte del vasto y creciente campo de información de la Tierra. Pero estos datos no son etéreos, no flotan en las nubes, sino que se almacenan en algún lugar. Tanto nuestros dispositivos como instituciones especializadas, los centros de datos, sirven como lugar de almacenamiento de datos. Se espera que los edificios llenos a capacidad con servidores consuman mucha energía. Lógicamenteque a medida que aumenta el volumen global de datos, también lo hará la cantidad de energía consumida. Hoy echamos un vistazo a un estudio en el que científicos de la Universidad de Mainz (Alemania) han desarrollado una nueva técnica para escribir datos en servidores, que, en teoría, puede reducir el consumo de energía a la mitad. ¿Qué procesos físicos y químicos están involucrados en el desarrollo, qué han demostrado los experimentos, y el potencial de este trabajo es tan grande como dicen sus autores? Aprendemos sobre esto del informe de los científicos. Vamos.¿Qué procesos físicos y químicos están involucrados en el desarrollo, qué han demostrado los experimentos, y el potencial de este trabajo es tan grande como dicen sus autores? Aprendemos sobre esto del informe de los científicos. Vamos.¿Qué procesos físicos y químicos están involucrados en el desarrollo, qué han demostrado los experimentos, y el potencial de este trabajo es tan grande como dicen sus autores? Aprendemos sobre esto del informe de los científicos. Vamos.
Base de estudio
La raíz de toda investigación es la spintrónica, la ciencia que estudia el transporte actual de espín. Spin, a su vez, es el momento angular apropiado de una partícula elemental. En los últimos años, el interés en la spintrónica ha aumentado considerablemente, lo que ha permitido descubrir muchas cosas nuevas, incluida la conmutación de corriente utilizando momentos de giro en órbita (SOT a partir del par de giro en órbita ) en la memoria magnetorresistiva de acceso aleatorio (MRAM).
Las puertas giratorias son uno de los componentes más importantes de MRAM. Estos dispositivos consisten en dos o más materiales magnéticos conductores, cuya resistencia eléctrica puede variar entre dos valores dependiendo de la alineación relativa de la magnetización en las capas.
La conmutación inducida por SOT se produce en bicapas de metales pesados ferromagnéticos (FM-HM), donde hay una amortiguación significativa (supresión de oscilaciones) debido al flujo de corriente eléctrica a lo largo de la dirección x . Los SOT surgen del efecto de giro Hall en la mayor parte del material HM y del efecto galvánico de giro inverso en la interfaz FM-HM.
Estudios anteriores han demostrado que el valor del SOT amortiguado puede ser lo suficientemente grande como para cambiar la dirección de magnetización a bajas densidades de corriente (hasta 10 7 –10 8 A / cm -2 ).
Los parámetros de muestra (por ejemplo, composición y grosor de la capa de heteroestructura FM-HM) se pueden ajustar para determinar la magnitud y el signo del SOT. Pero, como dicen los científicos, es mucho más importante obtener un control dinámico en tiempo real sobre los propios SOT.
Una de las herramientas energéticamente eficientes para obtener este control es la tensión mecánica causada por un campo eléctrico. Los científicos recuerdan que al evitar la necesidad de corriente eléctrica y eliminar así las pérdidas asociadas, la deformación ajusta efectivamente las propiedades magnéticas (como la anisotropía magnética) y, por lo tanto, la estructura del dominio magnético y la dinámica de las películas delgadas en el plano. Además, dado que la deformación se puede aplicar localmente, proporciona una plataforma para el desarrollo e implementación de conceptos de conmutación complejos en dispositivos con una arquitectura simplificada.
Ya se han hecho intentos para investigar el efecto de la deformación en la conmutación debido a SOT, principalmente el efecto de la deformación en la anisotropía y el efecto resultante en la conmutación. Además, la investigación previa se ha centrado exclusivamente en sistemas con un eje magnético plano, y no se ha realizado ninguna investigación experimental en materiales multicapa perpendicularmente magnetizados.
Sin embargo, según los autores de este trabajo, es en materiales multicapa perpendicularmente magnetizados donde reside un gran potencial. En particular, la promesa de utilizar sistemas con anisotropía magnética perpendicular (PMA para la anisotropía magnética perpendicular ) se debe a una mayor estabilidad térmica, mayores densidades de empaquetamiento y una mejor escala.
En el estudio que estamos considerando hoy, los científicos han demostrado SOT de control de voltaje inducido eléctricamente (mecánico) en multicapas W = CoFeB = MgO perpendicularmente cultivadas en un sustrato piezoeléctrico. Los SOT se estiman mediante el método de cuantificación secundaria y el método de transporte magnético a voltajes planos de diferente naturaleza y magnitud.
Resultados de la investigacion
Se descubrió que la deformación, modulada por un campo eléctrico aplicado a un sustrato piezoeléctrico, da como resultado respuestas de giro distintas.
Imagen n. ° 1 La
imagen 1a muestra un esquema de un sensor Hall * de tipo cruzado utilizado para medir los campos SOT de amortiguación (DL) y campo (FL) en un W (5 nm) / CoFeB (0.6 nm) / MgO (2 nm) / Ta ( 3 nm). La multicapa se cultivó sobre un sustrato [Pb (Mg 0.33 Nb 0.66 O 3 )] 0.68 (011) (abreviado como PMN-PT), que se usó para la generación eléctrica de tensiones mecánicas. La figura 1b muestra una imagen de microscopio óptico del dispositivo.
* — .La deformación uniaxial en el plano se obtuvo aplicando un campo eléctrico de CC fuera del plano a un sustrato piezoeléctrico PMN-PT (011).
: — ; b — ; — .
Típicamente, la respuesta de la deformación piezoeléctrica a un campo eléctrico aplicado es la histéresis. Sin embargo, los campos eléctricos que exceden la característica de campo coercitivo * del material polarizan el sustrato y dan como resultado un modo en el que la deformación generada tiene una respuesta lineal.
Fuerza coercitiva * : el valor de la intensidad del campo magnético requerido para desmagnetizar completamente la sustancia.El modo lineal se mantiene hasta que el sustrato se desplaza en la otra dirección aplicando campos eléctricos mayores que el campo coercitivo opuesto. Por lo tanto, antes de las primeras mediciones, pero después del proceso de estructuración, se aplicó una polarización al sustrato PMN-PT mediante un campo eléctrico de +400 kV / m.
Además, fueron los campos eléctricos de corriente continua los que se utilizaron, lo que hizo posible cambiar la deformación en el modo de respuesta lineal, ya que esto proporciona un control eléctrico confiable sobre la deformación inducida.
También vale la pena señalar que la intersección de Hall se hizo de modo que sus hombros estuvieran orientados a lo largo de las direcciones [011] y [100] del sustrato PMN-PT (011), que corresponden a las direcciones de estiramiento y compresión, respectivamente.
Para empezar, caracterizamos la histéresis magnética del sistema en un campo eléctrico de CC cero.
La imagen 1b muestra la línea de voltaje Hall anómala con un campo magnético fuera del plano (μ0 Hz) medido para W = CoFeB = MgO = Ta a 0 kV / m (línea roja), mostrando la característica de conmutación del eje fácil (eje fácil) de juegos de capas finas de CoFeB.
El ciclo de magnetización fuera del plano medido a 400 kV / m (línea negra) se superpone sobre el voltaje de Hall (línea roja) y no muestra cambios significativos debido a la tensión generada. Esto sugiere que el sistema siempre tiene una anisotropía magnética perpendicular dominante.
Imagen No. 2
Los gráficos anteriores muestran las típicas dependencias en el plano de los campos de los primeros armónicos de voltaje Hall (V 1ω ) y segundo (V 2ω ) cuando se aplicó una corriente alterna con una densidad j c = 3.8 x 10 10 A / m -2 a la línea de corriente .
El voltaje de CC se ajustó a 0, por lo que no se aplicó voltaje al cruce de Hall. Las gráficas de los campos longitudinal ( 2a ) y transversal ( 2b ) muestran las simetrías esperadas: para el campo longitudinal, las pendientes V 2ω y las pendientes del campo son las mismas para ambas direcciones de magnetización a lo largo de + z (+ M z ) o -z (-M z), mientras que para el campo transversal su signo se vuelve opuesto.
A continuación, los científicos analizaron los componentes transversales (μ 0 ΔH T ) y longitudinales (μ 0 ΔH L ) del campo SOT para ambas direcciones de magnetización M z y determinaron el valor promedio de estos componentes en función de la densidad de corriente aplicada j c ( 2c ).
Imagen # 3 Los
gráficos anteriores muestran los resultados de la dependencia del campo eléctrico. Se determinó que el SOT de campo (FL) no cambia significativamente bajo deformaciones de tracción y compresión ( 3a y 3c ). Por el contrario, en 3bse puede ver que la deformación por tracción duplica el SOT de amortiguación (DL) cuando se aplica 400 kV / m (0.03% de voltaje).
Por otro lado, cuando la corriente fluye a lo largo de la dirección de la deformación por compresión, el valor DL del momento disminuye al aumentar la deformación.
De esto se deduce que la magnitud DL del momento aumenta con la aplicación de una deformación por tracción inducida eléctricamente y disminuye con una deformación por compresión.
Para comprender el origen microscópico de la dependencia de la deformación observada experimentalmente de FL y DL SOT, los cálculos funcionales se realizaron utilizando la teoría funcional de densidad de la estructura electrónica Fe 1 - x Co x / W (001), que consiste en una monocapa perpendicularmente magnetizada y sustratos no magnéticos.
Imagen No. 4
Como se muestra en 4a , durante los cálculos, la estructura cristalina se expandió o contrajo deliberadamente mientras se mantenía un área constante en el plano de la celda unitaria para tener en cuenta el efecto de la deformación uniaxial. Esta deformación puede cuantificarse por la relación δ = (a ' j - a j ) / a j , donde a j y a' j denotan la constante de la red a lo largo de la dirección j en el plano en un estado relajado y distorsionado, respectivamente. Como consecuencia, cualquier deformación final reduce la simetría cristalina inicial de C 4v a C 2v .
Basado en los cálculos de la estructura electrónica, la dependencia de SOT en δ ( 4b), que presenta las mismas características de calidad que en el experimento real.
Dado que FL y DL SOT provienen de diferentes estados electrónicos, generalmente siguen diferentes dependencias de las características estructurales. Se encontró que el valor DL del momento aumenta linealmente con respecto a la deformación por tracción y disminuye linealmente con respecto a la deformación por compresión. Por ejemplo, la expansión de la red en un 1% a lo largo de la dirección del campo eléctrico aumenta significativamente la conductividad de los momentos DL (en aproximadamente un 35%).
Para evaluar con mayor precisión esta observación, se realizó una comparación ( 4c) distribuciones en el espacio de contribuciones microscópicas a DL SOT para películas relajadas y deformadas. A diferencia de los estados ocupados alrededor del punto M, que apenas son importantes, los estados electrónicos cercanos a los puntos de alta simetría Γ, X e Y constituyen la fuente principal de conductividad DL. En particular, la deformación por tracción promueve fuertes contribuciones negativas alrededor de X e Y, lo que resulta en un aumento general de la conductividad.
Para conectar los datos obtenidos con la estructura electrónica disponible, los científicos llamaron la atención sobre la polarización orbital de los estados en la capa magnética, donde los electrones d son la fuerza dominante.
Mientras d xy , d x 2 - y 2 y d z 2no dependen del signo de la deformación aplicada δ, los estados d yz y d zx cambian claramente con respecto a la deformación por tracción o compresión. En particular, estos orbitales también median la hibridación con el sustrato de metales pesados. De esto se deduce que su dependencia de las características estructurales proporciona una comprensión adicional de SOT en las películas delgadas en estudio.
Como ejemplo, los científicos proponen considerar el cambio de deformación en la densidad de estados d yz en la capa magnética en comparación con el caso con simetría rotacional cuádruple ( 4d ).
Mientras que la densidad de estados ↓ * en el nivel de Fermi es prácticamente independiente de la deformación por tracción, los estados ↑ están claramente redistribuidos. Como muestra la polarización orbital en 4e , este efecto se debe a cambios pronunciados controlados por δ en la polarización d yz alrededor del punto X, que se correlaciona con cambios en la conductividad DL ( 4 ).
Canal de giro * : una de las direcciones de la orientación de giro (arriba o abajo).Utilizando datos obtenidos de los cálculos de la estructura electrónica, los científicos descubrieron que la naturaleza diferente de las características observadas experimentalmente de los momentos FL y DL se deriva de cambios únicos en la polarización orbital de los estados electrónicos debido a las distorsiones de la red.
El subíndice s = ↑, ↓ denota el estado de espín de los electrones en los ferromagnetos: ↑ es la subbanda de espín de la mayoría de los electrones, ↓ es la subbanda de espín de la minoría de electrones. Además, el subíndice s = ↑, ↓ denota el estado de espín del electrón en los canales de conducción de espín.
Para conocer más detalladamente los matices del estudio, recomiendo consultar el informe de los científicos .
Epílogo
Según los autores del trabajo, además de revelar el papel clave de los estados hibridados en la interfaz FM-HM, los resultados del estudio ofrecen un esquema claro para los fenómenos de órbita giratoria creados por el hombre. Usando las complejas interacciones de giro y magnetismo orbital, acoplamiento de órbita y simetría, es posible adaptar el valor SOT en dispositivos multicapa, creando polarización orbital de estados cercanos a la energía de Fermi con respecto a la deformación.
También vale la pena señalar que este estudio amplía las posibilidades de ingeniería en el campo del diseño de dispositivos con sintonización dinámica SOT en sistemas multicapa perpendicularmente magnetizados que utilizan voltaje controlado eléctricamente (mecánico).
Esta fuerte declaración se debe al hecho de que la deformación puede generarse localmente y superponerse en partes seleccionadas de la región de conmutación. Por lo tanto, es posible ajustar la densidad de corriente para que el giro DL pueda controlar simultáneamente la dirección de magnetización en áreas con voltaje, pero no afectar áreas sin voltaje. Las áreas seleccionadas se pueden modificar bajo demanda mediante el uso de una configuración de campo eléctrico diferente, proporcionando un nivel adicional de control.
Todo esto significa que, con la ayuda de patrones de deformación específicos de las regiones de conmutación por medio de campos eléctricos, se puede crear una celda de memoria multinivel con eficiencia energética.
La aplicación de deformación a la estructura investigada W = CoFeB = MgO durante los experimentos condujo a cambios claramente diferentes en los giros FL y DL. Además, como señalan los científicos, el giro DL puede duplicarse si la deformación a la tracción se aplica paralela al flujo de corriente.
En otras palabras, es posible obtener un control directo sobre las características del proceso de conmutación magnética ajustando el campo eléctrico que actúa sobre el cristal piezoeléctrico. Esto conduce a una reducción significativa en el consumo de energía, y también hace posible crear arquitecturas complejas para almacenar información.
En el futuro, los científicos planean continuar tanto los experimentos prácticos como los cálculos relacionados para descubrir dónde y cómo es posible mejorar este complejo proceso. Sin embargo, a pesar de la complejidad de crear tales sistemas, su potencial es extremadamente alto, ya que la reducción del consumo de energía conduce no solo a ahorros para los proveedores y consumidores de servicios de almacenamiento de información, sino que también reduce significativamente la presión ya fuerte de la humanidad sobre el medio ambiente.
Gracias por su atención, tengan curiosidad y tengan una buena semana de trabajo, muchachos. :)
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