IMEC为ETH实验生产的芯片。用于测量磁化反转时间的隧道结位于中心。信贷:IMEC

 

ETH的研究人员在分辨率小于100皮秒的新型磁存储器中测量了单个写入事件的时间。他们的研究结果与基于磁性的下一代主存储器有关。

 

在苏黎世ETH的材料部门，Pietro Gambardella和他的合作者研究了未来的记忆装置。它们应该速度快，长期可靠地保存数据，而且价格便宜。所谓的磁“随机存取存储器”(MRAM)通过结合电流快速开关和磁材料中持久的数据存储来实现这个圆的正交。几年前，研究人员已经证明了某种物理效应——自旋-轨道转矩——使得高速数据存储成为可能。现在，甘巴德拉的团队与比利时的研发中心IMEC一起，设法暂时解决了单个这样的存储事件的确切动态，并使用了一些技巧使其更快。天富注册

 

单自旋磁化

 

要用磁性存储数据，就必须将铁磁性(即永久磁性)材料的磁化方向颠倒，以便将信息表示为逻辑值，0或1。在较老的技术中，如磁带或硬盘驱动器，这是通过在携带电流的线圈内部产生磁场来实现的。相比之下，现代MRAM存储器直接利用具有磁性的电子的旋转，就像小的罗盘针一样，并以电流的形式直接流过磁层。在甘巴德拉的实验中，自旋方向相反的电子被自旋-轨道相互作用在空间上分开。反过来，这就产生了一个有效的磁场，可以用来逆转一个小金属点的磁化方向。

 

MTJ电子显微镜图像

 

磁隧道结(MTJ，在中心)和电极的电子显微镜图像，用于控制和测量反转过程。来源:P. Gambardella /苏黎世联邦理工学院

 

“我们从早期的实验中知道，我们用X射线频闪扫描单个磁性金属点，磁化反转发生得非常快，大约在一纳秒内，”Eva Grimaldi说，她是Gambardella小组的博士后。然而，这些都是许多反转事件的平均值。现在我们想知道单个这样的事件是如何发生的，并证明它可以用于工业兼容的磁存储设备。”

 

通过隧道结的时间分辨率

 

为了做到这一点，研究人员用磁隧道结替换了孤立的金属点。这样的隧道结包含两个磁层，被只有一纳米厚的绝缘层隔开。根据自旋方向的不同——沿着磁层的磁化程度，或与之相反——电子可以或多或少地通过绝缘层。这就产生了一个电阻，它依赖于一层相对于另一层的磁化强度的排列，因此代表“0”和“1”。根据逆转过程中阻力的时间依赖性，研究人员可以重建这一过程的确切动态。特别地，他们发现磁化反转发生在两个阶段:一个是孵化阶段，在此期间磁化保持不变，另一个是实际的反转阶段，持续时间不到纳秒。天富注册

 

小的波动

 

甘巴德拉的博士生维奥拉·克里扎科娃解释说:“对于一个快速可靠的存储设备来说，将单个反转事件之间的时间波动最小化是至关重要的。”因此，根据他们的数据，科学家们开发了一种策略，使这些波动尽可能小。为了达到这个目的，他们改变了控制磁化反转的电流脉冲，从而引入了两个额外的物理现象。所谓的自旋转移转矩以及在逆转阶段的一个短电压脉冲，现在导致逆转事件的总时间减少到小于0.3纳秒，与时间波动小于0.2纳秒。

 

磁隧道结示意图

 

磁隧道结(黄色和红色的圆盘)，其中红色圆盘的磁化被电子自旋反向(蓝色和黄色的箭头)。反转过程通过隧道阻力(垂直的蓝色箭头)来测量。信贷:苏黎世联邦理工学院

 

应用程序——准备好技术

 

“把所有这些放在一起，我们找到了一种方法，通过这种方法，数据可以几乎没有任何错误地存储在磁隧道结中，而且存储时间不到一纳秒，”Gambardella说。此外，