[論文レビュー] Bennett clocking of nanomagnetic logic using electrically induced rotation of magnetization in multiferroic single-domain nanomagnets

Jayasimha Atulasimha, Supriyo Bandyopadhyay|arXiv (Cornell University)|May 28, 2010

Multiferroics and related materials参考文献 17被引用数 71

ひとこと要約

この論文は、多フェロイック単一ドメインナノ磁石における電気的誘起磁化回転を用いて、ナノ磁気論理におけるベネットクロッキングのための新規手法を提案する。わずかな静電的電圧（約0.2 V）を印加することで、歪み結合ピエゾ効果を介し、磁化がほぼ90°回転し、スピン転送トルクや外部磁場を必要とせず、低消費電力で一方向の論理信号伝搬が可能になる。

ABSTRACT

The authors show that it is possible to rotate the magnetization of a multiferroic (strain-coupled two-layer magnetostrictive-piezoelectric) nanomagnet by a large angle with a small electrostatic potential. This can implement Bennett clocking in nanomagnetic logic arrays resulting in unidirectional propagation of logic bits from one stage to another. This method of Bennett clocking is superior to using spin-transfer torque or local magnetic fields for magnetization rotation. For realistic parameters, it is shown that a potential of ~ 0.2 V applied to a multiferroic nanomagnet can rotate its magnetization by nearly 900 to implement Bennett clocking.

研究の動機と目的

• ナノ磁気論理アレイにおける低消費電力でスケーラブルな論理信号伝搬を実現すること。
• 磁化スイッチングにおけるスピン転送トルクおよび外部磁場の制限を克服すること。
• 最小限のエネルギー入力で電圧制御磁化回転を実現できる多フェロイック材料を活用すること。
• 単一のクロッキングメカニズムを用いて一方向の論理ビット伝搬を達成すること。
• ナノスケール系における電気的誘起歪みを用いたベネットクロッキングの実現可能性を示すこと。

提案手法

• 磁気歪み性およびピエゾ効果性材料のバイレイヤー構造を用いて多フェロイックナノ磁石を構築する。
• ピエゾ効果性層にわずかな静電的電圧（約0.2 V）を印加して歪みを生成する。
• 歪みが磁気歪み性層に伝達され、磁化が最大90°まで回転する。
• 磁化の回転により、論理アレイ内の隣接ナノ磁石が制御された順次スイッチングが可能になる。
• ピエゾ効果性層と磁気歪み性層の間の歪み結合を活用し、電圧駆動で非揮発的かつ逆転可能なスイッチングを実現する。
• 逆磁気歪み効果およびピエゾ効果応答に依存し、電気的入力を磁化再配列に変換する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 わずかな静電的電圧が多フェロイックナノ磁石で大角度の磁化回転を誘起できるか？
• RQ2 電圧誘起歪みがナノ磁気論理における信頼性の高いベネットクロッキングを達成できるか？
• RQ3 電気駆動磁化回転のエネルギー効率は、スピン転送トルクや磁場ベースのスイッチングと比べてどのように異なるか？
• RQ4 実用的論理応用においてほぼ90°の磁化回転を達成するための最小電圧は何か？
• RQ5 スピン偏極電流や外部磁場を一切用いずに一方向の論理伝搬を達成できるか？

主な発見

• 多フェロイックナノ磁石に約0.2 Vの電圧を印加することで、磁化がほぼ90°回転する。
• この手法により、エネルギー損失を最小限に抑えた効率的なベネットクロッキングが可能となり、スピン転送トルクや磁場ベースの手法を上回る。
• 歪み結合メカニズムにより、非揮発的かつ可逆的で低消費電力の磁化スイッチングが実現できる。
• ナノ磁石の鎖状に連続する磁化回転を通じて、一方向の論理ビット伝搬が達成される。
• 理論的解析により、現実的な材料パラメータおよびデバイス幾何学的条件下での実現可能性が確認された。
• スピン偏極電流や外部磁場の必要性が排除され、スケーラビリティおよびエネルギー効率が向上する。