[論文レビュー] Strain-programmable van der Waals magnetic tunnel junctions

John Cenker, Dmitry Ovchinnikov+13 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2023

2D Materials and Applications被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、可変な反強磁性トンネル障壁としてのCrSBrを用いた、ひずみプログラマブルなファンデルワールス磁性トンネル接合（MTJ）を示している。反強磁性から強磁性秩序への相転移をひずみによって誘発することで、外部磁場が不要な状態で巨大なトンネル磁気抵抗（最大約1000%、約140 Kで達成）を実現し、ひずみパルスによる磁気抵抗状態のプログラマブル制御と、ひずみで調整可能なシグモイド的応答を示す確率的スイッチングを可能にした。これにより、ニューロモーフィックコンピューティングや乱数生成への応用が可能となる。

ABSTRACT

The magnetic tunnel junction (MTJ) is a backbone device for spintronics. Realizing next generation energy efficient MTJs will require operating mechanisms beyond the standard means of applying magnetic fields or large electrical currents. Here, we demonstrate a new concept for programmable MTJ operation via strain control of the magnetic states of CrSBr, a layered antiferromagnetic semiconductor used as the tunnel barrier. Switching the CrSBr from antiferromagnetic to ferromagnetic order generates a giant tunneling magnetoresistance ratio without external magnetic field at temperatures up to ~ 140 K. When the static strain is set near the phase transition, applying small strain pulses leads to active flipping of layer magnetization with controlled layer number and thus magnetoresistance states. Further, finely adjusting the static strain to a critical value turns on stochastic switching between metastable states, with a strain-tunable sigmoidal response curve akin to the stochastic binary neuron. Our results highlight the potential of strain-programmable van der Waals MTJs towards spintronic applications, such as magnetic memory, random number generation, and probabilistic and neuromorphic computing.

研究の動機と目的

• 磁場や大電流に依存しない、新しいプログラマブル磁性トンネル接合のメカニズムの開発。
• 2次元ファンデルワールス材料における磁気秩序の制御のためのひずみ工学の探求。
• CrSBrベースMTJにおける動的ひずみパルスを用いた磁気抵抗状態のチューナブル制御の実証。
• ひずみで調整可能なシグモイド的応答を示す確率的スイッチング行動の実現、神経動力学を模倣。
• 磁気メモリ、乱数生成、ニューロモーフィックコンピューティングを含む、エネルギー効率の良いスピントロニクス応用の実現。

提案手法

• トンネル障壁として層状の反強磁性半導体CrSBrを用いたファンデルワールスヘテロ構造MTJの構築。
• 静的および動的ひずみを適用し、反強磁性秩序と強磁性秩序の間の磁気相転移を調整。
• 個々の層の磁化を反転可能とするため、ひずみパルスを用いて磁化のスイッチングを制御し、磁化された層の数とそれによる磁気抵抗状態を制御。
• 相転移付近の臨界値に静的ひずみを正確に調整し、準安定磁気状態間の確率的スイッチングを誘発。
• 異なるひずみ条件下でのトンネル磁気抵抗（TMR）比の測定を通じて、デバイスの応答を定量的評価。
• シグモイド的応答曲線を用いて、ひずみで調整可能なスイッチング確率を特徴づけ、確率的バイナリニューロンに類似した挙動を模倣。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元限界におけるCrSBrで、反強磁性から強磁性秩序への逆転可能な相転移がひずみ工学によって誘発可能か？
• RQ2 外部磁場が不要な状態で、ひずみプログラマブルMTJが達成するトンネル磁気抵抗（TMR）の大きさはどの程度か？
• RQ3 動的ひずみパルスを用いて、磁化された層の数を制御し、異なる磁気抵抗状態をプログラミング可能か？
• RQ4 相転移付近でのひずみ調整が、シグモイド的応答曲線を示す確率的スイッチングをどのように可能にするか？
• RQ5 ひずみプログラマブルMTJは、ニューロモーフィックコンピューティングのための確率的バイナリニューロン挙動をどの程度模倣可能か？

主な発見

• 外部磁場が不要な状態で、CrSBrベースMTJにおいて最大約1000%の巨大トンネル磁気抵抗（TMR）比を、約140 Kまでの温度範囲で達成。
• ひずみパルスにより、層の磁化を能動的に反転可能であり、磁化された層の数とそれによる磁気抵抗状態をプログラマブルに制御可能。
• 静的ひずみを相転移付近に調整すると、準安定磁気状態間の確率的スイッチングが発現し、ひずみで調整可能なシグモイド的応答曲線を示す。
• シグモイド的応答曲線はひずみで調整可能であり、確率的スイッチング挙動を示すステートオブアアートニューロンに類似した特性を示す。
• デバイスは約140 Kまでの温度で動作可能であり、実用的スピントロニクス応用の実現可能性を示している。
• 本結果により、CrSBrベースのファンデルワールスMTJが、エネルギー効率の良いひずみ制御磁気メモリ、乱数生成、ニューロモーフィックコンピューティングの基盤としての可能性を確立した。