[论文解读] A strategy for the design of skyrmion racetrack memories

Riccardo Tomasello, E. Martı́nez+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2014

Magnetic properties of thin films参考文献 56被引用 40

一句话总结

本文提出利用重金属底层中的自旋霍尔效应驱动的奈尔型自旋旋翼，作为下一代自旋旋翼跑道记忆的极具前景的策略。通过结合微磁模拟与基于Thiele的解析模型，作者发现奈尔型自旋旋翼在自旋霍尔力矩作用下可实现零场运行、高热稳定性及超密集存储，尽管在高电流激发下呼吸模式的产生限制了其最大速度。

ABSTRACT

Magnetic storage based on racetrack memory is very promising for the design of ultra-dense, low-cost and low-power storage technology. Information can be coded in a magnetic region between two domain walls or, as predicted recently, in topological magnetic objects known as skyrmions. Here, we show the technological advantages and limitations of using Bloch and Neel skyrmions manipulated by spin current generated within the ferromagnet or via the spin-Hall effect arising from a non-magnetic heavy metal underlayer. We found that the Neel skyrmion moved by the spin-Hall effect is a very promising strategy for technological implementation of the next generation of skyrmion racetrack memories (zero field, high thermal stability, and ultra-dense storage). We employed micromagnetics reinforced with an analytical formulation of skyrmion dynamics that we developed from the Thiele equation. We identified that the excitation, at high currents, of a breathing mode of the skyrmion limits the maximal velocity of the memory.

研究动机与目标

• 识别适用于可扩展、低功耗磁性存储的最优自旋旋翼类型及驱动机制。
• 评估在自旋电流与自旋霍尔效应下，布洛赫型与奈尔型自旋旋翼的技术可行性。
• 确定实现自旋旋翼跑道器件中零场运行与高热稳定性的条件。
• 分析高电流下由于动态自旋旋翼不稳定性导致的速度限制。
• 开发一种混合微磁-解析框架，以精确预测自旋旋翼动力学。

提出的方法

• 采用微磁模拟，对具有重金属底层的铁磁纳米结构中的自旋旋翼动力学进行建模。
• 基于Thiele方程建立自旋旋翼动力学的解析公式，以描述自旋力矩作用下的自旋旋翼运动。
• 模拟了在自旋电流注入及非磁性重金属中自旋霍尔效应作用下的布洛赫型与奈尔型自旋旋翼。
• 量化了自旋旋翼传输的热稳定性和临界电流阈值。
• 通过模拟与解析建模相结合，识别出在高电流密度下呼吸模式不稳定的起始点。
• 将解析模型与微磁结果进行对比验证，确保其在预测自旋旋翼速度与稳定性方面的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在自旋霍尔力矩作用下，布洛赫型与奈尔型自旋旋翼中哪种类型在跑道记忆中表现更优？
• RQ2 是否可实现无需外加磁场的自旋旋翼运动，从而简化器件集成？
• RQ3 高电流注入下自旋旋翼的最大速度受何限制？
• RQ4 自旋霍尔效应与内部自旋电流在驱动自旋旋翼传输方面相比如何？
• RQ5 基于Thiele方程的解析模型在真实系统中多大程度上能准确预测自旋旋翼动力学？

主要发现

• 由自旋霍尔效应驱动的奈尔型自旋旋翼表现出零场运行特性，可实现更简单的器件结构。
• 在自旋霍尔力矩作用下的奈尔型自旋旋翼展现出高热稳定性，这对室温下的数据保持至关重要。
• 由于自旋旋翼尺寸小且传输特性稳定，实现超密集存储是可行的。
• 自旋旋翼的最大速度受限于高电流密度下呼吸模式的激发。
• 基于Thiele的解析模型能准确预测自旋旋翼动力学与速度饱和，验证了其在设计优化中的适用性。
• 布洛赫型自旋旋翼稳定性较低且电流阈值较高，因此在实际应用中不具优势。