[論文レビュー] Reversible strain-induced magnetization switching in FeGa nanomagnets: Pathway to a rewritable, non-volatile, non-toggle, straintronic memory cell for extremely low energy operation

Hasnain Ahmad, Jayasimha Atulasimha+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2015

Multiferroics and related materials参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、圧電性PMN-PT基板上に成長したFeGaナノ磁性体における逆転可能で電圧制御可能なストレイントロニクススイッチングを示しており、超低消費電力で非揮発的かつ非トグル型の再書き込み可能なメモリ動作を可能にしている。逆方向の電圧極性を印加することで圧縮応力または引張応力が発生し、二つの安定な状態間を決定的にスイッチングすることで、二値ビット符号化が実現される。

ABSTRACT

Reversible straintronic switching of a nanomagnet's magnetization between two stable or metastable states promises ultra-energy-efficient non-volatile memory. Here, we report strain-induced magnetization switching in ~300 nm sized FeGa nanomagnets delineated on a piezoelectric PMN-PT substrate. Voltage of one polarity applied across the substrate generates compressive strain in a nanomagnet and switches its magnetization to one state, while voltage of the opposite polarity generates tensile strain and switches the magnetization back to the original state, resulting in "non-toggle" switching. The two states can encode the two binary bits, and, using the right voltage polarity, one can write either bit deterministically.

研究の動機と目的

• 次世代コンピューティング向けに、超低消費電力で動作する非揮発性メモリ技術の開発。
• 高いエネルギー損失とトグル動作を示す従来のスピン転送トルクおよび磁気トンネル接合の限界を克服すること。
• 電流ではなく応力によって、二つの磁化状態間を決定的にかつ逆転可能にスイッチングすること。
• 適切な電圧極性を用いることで、固定された手順を経ずに『0』または『1』の状態を直接書き込むことができる非トグル動作を実現すること。
• スケーラブルでエネルギー効率の高いデバイスを実現するため、圧電性基板上にFeGaナノ磁性体を用いたストレイントロニクスメモリの実現可能性を検討すること。

提案手法

• 圧電性PMN-PT基板上に約300 nmのFeGaナノ磁性体を形成し、応力による磁化制御を可能にする。
• PMN-PT基板に電圧を印けることで機械的応力を発生させ、一方の磁化状態には圧縮応力、反対の状態には引張応力を発生させる。
• FeGaのマグネトストリクティブ特性を活用し、機械的応力と磁化方向の変化を結合する。
• 電圧極性を制御することで応力の符号を制御し、二つの安定な磁化状態間を決定的にスイッチング可能にする。
• 磁化測定により逆転可能なスイッチングを確認し、破壊的でない再現性のある状態遷移を実証した。
• 固定された手順を経ずに、適切な電圧極性を用いることで『0』または『1』の状態を直接書き込めるようにすることで、非トグル動作を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FeGaナノ磁性体における応力誘起磁化スイッチングは、完全に逆転可能かつ決定的に行えるか？
• RQ2 圧電性基板の使用により、非揮発的かつ非トグル型のメモリ動作が、低エネルギー入力で実現可能か？
• RQ3 固定された順序を経ずに、電圧極性制御により両方の二値状態を直接書き込むことができるか？
• RQ4 従来のスピントロニクスメモリ機構と比較して、ストレイントロニクススイッチングのエネルギー効率はどの程度か？
• RQ5 FeGaナノ磁性体において、複数サイクルにわたってスイッチングメカニズムは安定的かつ再現可能か？

主な発見

• 逆方向の電圧極性を印けることで、PMN-PT基板に圧縮応力および引張応力を発生させ、FeGaナノ磁性体における磁化の逆転可能なスイッチングを実現した。
• 『0』および『1』に対応する二つの磁化状態は安定しており、電圧極性を用いることで決定的にスイッチング可能であった。
• 非トグル動作が実証され、固定された手順を経ずに『0』または『1』の状態を直接書き込むことが可能であった。
• 電圧を除去しても磁化がスイッチした状態を保持するため、スイッチング機構は非揮発的であった。
• 電流の流れがなく、状態遷移に機械的応力に依存するため、極めて低いエネルギーで動作した。
• これらの結果は、FeGaナノ磁性体を用いたストレイントロニクスメモリセルの実現可能性を確認しており、超低消費電力でスケーラブルかつ再書き込み可能な非揮発性メモリの実現が期待できる。