[論文レビュー] THz electrical writing speed in an antiferromagnetic memory

K. Olejník, Tom S. Seifert+12 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2017

Mechanical and Optical Resonators参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、超短い電流パルスを用いた反強磁性メモリデバイスにおいて、テラヘルツ（THz）帯域の電気的ライティング速度を実証した。CuMnAsにおける電流誘起ステアッタードスピントルク場を活用することで、1 psパルス幅での可逆的スイッチングを達成し、反強磁性メモリが強磁性MRAMのGHz速度制限を超えることが実証され、THz帯域でエネルギー効率が高く、超高速なメモリ・ロジック統合が可能になることが示された。

ABSTRACT

The speed of writing of state-of-the-art ferromagnetic memories is physically limited by an intrinsic GHz threshold. Recently, an alternative research direction has been initiated by realizing memory devices based on antiferromagnets in which spin directions periodically alternate from one atomic lattice site to the next. In our work we experimentally demonstrate at room temperature that the speed of reversible electrical writing in a memory device can be scaled up to THz using an antiferromagnet. Efficient current-induced spin-torque mechanism is responsible for the switching in our memory devices throughout the twelve orders of magnitude range of writing speeds from Hz to THz. Our work opens the path towards the development of memory-logic technology reaching the elusive THz band.

研究の動機と目的

• 強磁性MRAMのGHz速度制限を超えるために、反強磁性材料の探索を行う。
• 反強磁性ビットセルを用いて、テラヘルツ（THz）帯域の電気的ライティング速度を実験的に実証する。
• 超短時間スケール（ps範囲）における反強磁性体での電流誘起ステアッタードスピントルクスイッチングの実現可能性を検証する。
• 反強磁性メモリがマイクロエレクトロニクス回路と互換性を持つこと、および統合型メモリ・ロジック機能への可能性を確立する。
• 外部THzプロセッサを必要としない同一デバイスプラットフォームを用いて、周波数をHzからTHzまでスケーラブルに拡張可能なライティング速度の実現を検討する。

提案手法

• 高いネール温度を有するCuMnAsからなるクロス形状の反強磁性ビットセルを用い、室温でも安定な反強磁性秩序を実現した。
• 2つの直交方向に沿った線形偏光を有する非接触型THz電磁パルスを用い、電気的ライティングに適した超短パルス（約1 ps）を生成した。
• スピン・オービット結合を介して電流誘起ステアッタードスピントルク場を発生させ、反強磁性ネール秩序に対して逆転対称性を持つサイトで逆方向の偏光を持つ有効場を作用させた。
• 反強磁性横方向磁気抵抗（AMR）を用いた電気的リードアウトにより、各ライティングパルス後のネールベクトルの向きを検出した。
• 250 psまでの接触型パルスと非接触型THzパルスの結果を比較し、パルス幅の影響を分離し、100 fs未満から1 psまでの時間スケールでのスイッチング忠実度を検証した。
• 時間分解測定を用いてメモリ効果を確認し、psスケールのライティングパルスから数ミリ秒の遅延をあけることでリードアウトを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強磁性MRAMのGHz制限を超えて、反強磁性メモリの電気的ライティング速度を拡張できるか？
• RQ2 反強磁性材料において、1 ps未満のスケールで電流誘起ステアッタードスピントルクメカニズムが、スイッチングに有効であるか？
• RQ3 反強磁性ビットセルは、HzからTHzまでの12桁のスケールで安定的かつ可逆的なスイッチングを維持できるか？
• RQ4 反強磁性系におけるTHzスケールでのライティングのエネルギー効率は、強磁性系と比較してどのように異なるか？
• RQ5 外部の高速プロセッサを必要とせず、THzスケールで統合型メモリ・ロジック機能を実現できるか？

主な発見

• 研究者らは、反強磁性メモリにおける1 THzの電気的ライティングを実験的に実証し、パルス幅1 psに対応した可逆的スイッチングを達成した。
• 2つの直交方向に沿った線形偏光を有する非接触型THz電磁パルスを用い、ステアッタードスピントルク場を誘起することでスイッチングを実現した。
• 電流誘起ステアッタード場は、マクロな磁場を必要とせず、アクセス可能な電流密度で高速動作を可能にした。
• ライティング速度は、HzからTHzまで12桁のスケールにわたってスケーリングされ、一貫したスイッチング忠実度が確認された。
• 交換強化のない有効スイッチング場の特性により、THzスケールでもライティングのエネルギーコストは低く抑えられ、強磁性体とは異なり周波数に比例して増大しない。
• メモリ効果により、psスケールのライティングパルスから数ミリ秒後のマクロな時間スケールでリードアウトが可能となり、スイッチングダイナミクスの時間分解研究が可能になった。これにより、将来の超高速ライティング・リードサイクルの実現に向けた道筋が示された。