[논문 리뷰] Picosecond all-optical switching of magnetic tunnel junctions

Junyang Chen, Li He외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 15.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 39인용 수 36

한 줄 요약

이 논문은 단일 통신 대역 적외선 레이저 펄스를 이용해 펄스당 피코초 수준의 초고속 광학적 스위칭을 실현한 자기터널접합(MTJ)의 전자기적 스위칭 메커니즘을 초월한 핵심 진전을 보여준다. 이는 편자성 물질인 GdFeCo를 자유층으로 사용하여 초고속 자화 반전을 달성한다. 직접적인 터널링 자화저항측정을 통해 스위칭이 확인되었으며, DR/R 비율은 0.6%로 측정되었으며, MHz 반복 주파수로 작동하면서도 이론적 한계는 수십 GHz를 초과한다. 이는 통합 광스핀트로닉스 장치 개발을 향한 중요한 전진이다.

ABSTRACT

Control of magnetism without using magnetic fields enables large-scale integration of spintronic devices for memory, computation and communication in the beyond-CMOS era. Mechanisms including spin torque transfer, spin Hall effect, and electric field or strain assisted switching have been implemented to switch magnetization in various spintronic devices. Their operation speed, however, is fundamentally limited by the spin precession time to be longer than 10-100 picoseconds. Overcoming such a speed constraint is critical for the prospective development of spintronics. Here we report the demonstration of picosecond all-optical switching of a magnetic tunnel junction (MTJ)- the building block of spintronic logic and memory -only using single telecom-band, infrared laser pulses. This first optically switchable MTJ uses ferrimagnetic GdFeCo as the free layer, and its switching is directly readout by measuring its tunneling magnetoresistance with a DR/R ratio of 0.6%. An instrument limited switching repetition rate at MHz has been demonstrated, but the fundamental limit should be higher than tens of GHz. This result represents an important step toward integrated opto-spintronic devices that combines spintronics and photonics technologies to enable ultrafast conversion between fundamental information carriers of electron spins and photons.

연구 동기 및 목표

• 기존의 스핀트로닉스 스위칭 메커니즘은 스핀 진동 시간(10–100 ps)으로 인해 기본적인 속도 제한에 봉착해 있다.
• 외부 자기장이나 전류 없이 자기터널접합(MTJ)의 자화를 전적으로 광학적으로 제어할 수 있도록 한다.
• 직접 자화저항 읽기 기반으로 기능성 광학적 스위칭이 가능한 MTJ를 구현하여 스핀트로닉스 장치에 실용적으로 통합할 수 있도록 한다.
• 광학 및 스핀트로닉스를 융합한 초고속 정보 처리를 위한 통합 광스핀트로닉스 시스템의 기초를 마련한다.

제안 방법

• 자유층으로 초고속 탈자화 및 복구 동역학을 보이는 편자성 물질인 GdFeCo를 선택하여 MTJ의 구조를 구성하였다.
• 단일이고 저에너지의 통신 대역 적외선 레이저 펄스(1550 nm)를 사용하여, 초고속 탈자화를 유도함으로써 스핀 시스템을 자극함으로써 전적으로 광학적 스위칭을 유도하였다.
• 스위칭 과정은 터널링 자화저항(TMR) 반응을 측정하여 실시간으로 모니터링되었으며, 성공적인 자화 상태 조절을 나타내는 0.6%의 DR/R 비율이 관측되었다.
• 기기의 반복 모드 작동은 기기 한계에 기반한 MHz 수준의 스위칭 레이트로 실험적으로 구현되었으며, 이론적 상한은 수십 GHz를 초과한다.
• 시간 해상도를 갖춘 TMR 측정을 통해 레이저 펄스 타이밍과 자화 반전 동역학 간의 상관관계를 분석하였다.
• 향후 칩 내 광스핀트로닉스 회로를 구현하기 위해 기존 광학 통합 플랫폼과의 호환성을 고려하여 설계되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 적외선 레이저 펄스만으로도 작동 가능한 자기터널접합(MTJ)에서 전적으로 광학적 스위칭을 달성할 수 있는가?
• RQ2 이러한 광학적 MTJ 시스템의 기본적인 스위칭 속도 한계는 무엇인가?
• RQ3 피코초 수준의 스위칭 사건에서 자화 반전이 직접적이고 신뢰성 있게 터널링 자화저항을 통해 읽을 수 있는가?
• RQ4 왜 편자성 물질인 GdFeCo를 자유층으로 선택함으로써 초고속 스위칭 동역학이 가능해지는가?
• RQ5 이러한 광학적 MTJ가 실용적 응용을 위해 수십 GHz 수준으로 확장 가능한가?

주요 결과

• 단일 1550 nm 적외선 레이저 펄스를 사용하여 MTJ에서 피코초 수준의 스위칭 동역학을 실현함으로써 전적으로 광학적 스위칭이 가능함을 입증하였다.
• 터널링 자화저항(TMR) 반응에서 측정 가능한 0.6%의 DR/R 비율이 관측되어 성공적이고 가역적인 자화 스위칭이 이루어졌음을 확인하였다.
• 기기 한계에 기반한 MHz 수준의 반복 스위칭 레이트가 실험적으로 입증되었으며, 이론적 상한은 수십 GHz를 초과한다.
• 스위칭 메커니즘은 편자성 GdFeCo층의 초고속 탈자화 및 복구에 기반하며, 100 ps 이내의 반전 시간을 실현한다.
• 광학 제어를 스핀트로닉스 MTJ에 통합할 수 있음을 확인하였으며, 이는 전적으로 광학적 스핀트로닉스 메모리 및 논리 장치 개발을 위한 길을 열었다.
• 외부 자기장이나 전류 없이 작동하여 에너지 효율적이고 고속 정보 처리를 위한 길을 제시한다.