Чтобы записать или считать информацию из магниторезистивной памяти, нужно использовать электрический ток или измерять электрическое сопротивление ячейки. Но это требует много энергии и пространства, поэтому ученые ищут другие способы управлять магнитными ячейками. Один из таких способов - это использовать спин-орбитальный момент. Это когда электроны в атомах вращаются таким образом, что создают свое собственное магнитное поле, которое может влиять на намагниченность ферромагнетиков. Таким образом, можно переключать направление намагниченности одного из слоев ферромагнетика с помощью тока в другом слое, который называется слоем SOT. Это позволяет уменьшить энергопотребление и увеличить скорость работы магниторезистивной памяти.
Но и этот способ имеет свои сложности. Нужно подобрать такой материал для слоя SOT, который хорошо совместим с другими материалами памяти и имеет высокий коэффициент спин-Холла. Это означает, что он хорошо преобразует ток в магнитное поле и наоборот. Кроме того, этот материал должен быть устойчив к высоким температурам и агрессивным химическим реакциям, которые происходят при изготовлении памяти.
MRAM обладает рядом преимуществ перед другими технологиями памяти: она быстрая, емкая и энергоэффективная. Однако существующая технология MRAM имеет свои ограничения, которые снижают ее производительность и надежность.
Одно из решений этой проблемы — это магниторезистивная память с изменением направления спина (SOT-MRAM), которая использует специальный эффект, называемый спин-орбитальным моментом, для переключения магнетизации в слое свободного ферромагнетика. SOT-MRAM является перспективной технологией для встраиваемых приложений памяти, таких как кэш-память L3 (и выше) в высокопроизводительных вычислениях и мобильных устройствах.
Однако SOT-MRAM также имеет свои недостатки. Один из них — это сложность создания подходящего материала для слоя SOT, который должен обладать высоким коэффициентом спин-Холла и хорошей совместимостью с другими компонентами памяти. Кроме того, материал должен быть устойчив к высоким температурам и агрессивным процессам, используемым при изготовлении памяти.
Исследователи из Национального института стандартов и технологии США, Стэнфордского университета и Университета Небраска представили новый материал, который может помочь решить эти проблемы. Это магний-палладий-3 (Mg-Pd3) — материал с уникальными свойствами, позволяющими контролировать магнетизм в трех направлениях. Это может увеличить эффективность SOT-MRAM и привести к созданию более мощных компьютеров.
Ученые провели расчеты для предсказания неожиданных направлений и движений спина, а также моделирование сложной микроструктуры внутри Mg-Pd3. Особенности нового материала позволяют ему сохранять свои свойства и выдерживать сложные процессы пост-отжига и магнетронного распыления, что делает его отличным выбором для приложений SOT-MRAM и помогает соответствовать требованиям текущих производственных процессов. Ученые уже проводят работы по созданию прототипов SOT-MRAM на основе Mg-Pd3 и внедрению их в реальные устройства.
Mg-Pd3 — это интерметаллическое соединение, состоящее из магния и палладия в соотношении 1:3. Его кристаллическая структура принадлежит кубической сингонии с группой симметрии Pm-3m2. Этот материал был впервые описан в 1975 году, но его свойства не были изучены подробно до недавнего времени3.
Ученые обнаружили, что Mg-Pd3 обладает высоким коэффициентом спин-Холла, который определяет эффективность генерации спинового тока в слое SOT. Кроме того, Mg-Pd3 имеет низкое сопротивление и хорошую адгезию к слою CoFeB, который является свободным ферромагнитным слоем в MTJ. Эти факторы способствуют уменьшению энергопотребления и повышению скорости переключения SOT-MRAM.
Еще одна важная особенность Mg-Pd3 — это его способность контролировать магнетизм в трех направлениях: вдоль осей x, y и z. Это означает, что материал может индуцировать три разных типа спин-орбитального момента: полевой (FL), демпфированный (DL) и перпендикулярный (PL). FL-момент действует параллельно или антипараллельно направлению магнитного поля, DL-момент действует перпендикулярно направлению магнитного поля и параллельно направлению тока, а PL-момент действует перпендикулярно плоскости пленки. Комбинация этих трех типов момента позволяет более точно управлять направлением магнетизации в слое CoFeB и достигать оптимальных условий для переключения SOT-MRAM.
Исследование нового материала для SOT-MRAM опубликовано в журнале Nature Communications. Это открытие может стать прорывом в развитии MRAM технологии и открыть новые возможности для создания более мощных и энергоэффективных компьютеров.
