[论文解读] Mechanism of parametric pumping of magnetization precession in a nanomagnet. Parametric mechanism of current-induced magnetization reversal

Vadym Zayets|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2021

Magnetic properties of thin films被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于电流感应磁场的参数共振机制，用于铁磁性纳米磁体的电流诱导磁化反转。该磁场垂直于易轴方向。通过在纳米磁体的进动频率处施加射频（RF）电流，或利用巨磁阻与磁场依赖性的反馈机制，将热涨落驱动为大尺度磁化进动，从而在65 mA/µm²电流密度和60高斯磁场下实现反转。该方法与现有的自旋扭矩或自旋轨道矩机制结合时，可显著提升自旋电子学存储器的性能。

ABSTRACT

A mechanism of current-induced magnetization reversal based on the parametric resonance is described. The source of the magnetization reversal is a current-induced magnetic field, which is applied perpendicularly to the easy axis of magnetic anisotropy of a ferromagnetic nanomagnet. The current-induced magnetic field was measured in a FeCoB nanomagnet to be 60 Gauss at a current density of 65 mA/um2. Two mechanisms of the magnetization reversal are described and calculated. The first mechanism is the reversal by a RF electrical current, which modulated at a frequency close to the precession frequency of the nanomagnet. The second mechanism is the reversal by a DC electrical current, in which the magneto-resistance and the current dependency of the induced magnetic field create a positive feedback loop, which amplifies a random tiny thermal fluctuation into a large magnetization precession leading to the magnetization reversal. The combination of the proposed mechanism with conventional magnetization-reversal mechanisms such as the Spin Torque and the Spin-Orbit Torque can improve the performance of a Magnetic Random Access Memory.

研究动机与目标

• 开发一种基于参数共振的新型电流诱导纳米磁体磁化反转机制。
• 探究电流感应磁场如何通过共振效应驱动磁化进动与反转。
• 分析巨磁阻与电流依赖磁场反馈在将热涨降放大为宏观进动中的作用。
• 证明该机制在磁性随机存取存储器（MRAM）器件中提升性能的可行性。

提出的方法

• 该机制利用在FeCoB纳米磁体中，垂直于磁各向异性易轴方向的电流感应磁场。
• 对于射频电流激励，调节频率接近纳米磁体的自然进动频率，以激发参数共振。
• 对于直流电流，该方法利用巨磁阻与电流依赖感应磁场之间的正反馈回路，放大热涨落。
• 通过理论建模与数值计算，分析在不同电流密度与磁场条件下的两种反转机制。
• 采用包含参数驱动项的朗道-李夫希茨-吉尔伯特动力学方程分析系统响应。
• 模型预测：当反馈回路使进动持续超过临界阈值时，将发生磁化反转。

实验结果

研究问题

• RQ1 由电流感应磁场驱动的参数共振是否能在纳米磁体中诱导磁化反转？
• RQ2 巨磁阻与电流依赖磁场之间的反馈如何将热涨落放大为大尺度进动？
• RQ3 通过直流反馈机制实现反转所需的最小电流密度是多少？
• RQ4 射频电流频率相对于进动频率的变化如何影响反转效率？
• RQ5 该参数机制能否与现有自旋扭矩或自旋轨道矩机制结合，以提升MRAM性能？

主要发现

• 65 mA/µm²的电流密度可在FeCoB纳米磁体中产生60高斯的电流感应磁场。
• 当激励频率与纳米磁体的进动频率匹配时，射频电流机制可实现磁化反转。
• 直流电流机制通过巨磁阻与磁场依赖性的反馈，将随机热涨落放大为持续的大尺度进动，从而实现反转。
• 直流机制中的反馈回路对微小扰动实现非线性放大，导致确定性反转。
• 所提出的机制与自旋扭矩及自旋轨道矩机制兼容，表明其在提升能效与速度的混合型MRAM架构中具有潜力。
• 数值模拟证实，两种机制在适当的激励条件下均可实现完全磁化反转。