[论文解读] Antiferromagnetic multi-level memory cell

Vivien Schuler, K. Olejník+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2016

Magnetic properties of thin films参考文献 10被引用 3

一句话总结

该论文展示了一种基于单层CuMnAs的全功能反铁磁多值存储单元，利用电场诱导的自旋轨道力矩实现确定性、纳秒级开关。该器件实现了多值数据存储及通过脉冲数量和持续时间的集成信号计数，读出方式为平面霍尔效应，标志着向高速、抗辐射、非易失性存储技术迈出了关键一步。

ABSTRACT

Antiferromagnets (AFs) are remarkable magnetically ordered materials that due to the absence of a net magnetic moment do not generate dipolar fields and are insensitive to external magnetic field perturbations. However, it has been notoriously difficult to control antiferromagnetic moments by any practical means suitable for device applications. This has left AFs over their hundred years history virtually unexploited and only poorly explored, in striking contrast to the thousands of years of fascination and utility of ferromagnetism. Very recently it has been predicted and experimentally confirmed that relativistic spin-orbit torques can provide the means for efficient electrical control of an AF. Here we place the emerging field of antiferromagnetic spintronics on the map of non-volatile solid state memory technologies. We demonstrate the complete write/store/read functionality in an antiferromagnetic CuMnAs bit cell embedded in a standard printed circuit board communicating with a computer via a USB interface. We show that the elementary-shape bit cells fabricated from a single-layer AF are electrically written on timescales ranging from milliseconds to nanoseconds and we demonstrate their deterministic multi-level switching. The multi-level cell characteristics, reflecting series of reproducible, electrically controlled domain reconfigurations, allow us to integrate memory and signal counter functionalities within the bit cell.

研究动机与目标

• 展示在标准电子集成条件下，基于固态反铁磁存储单元的完整写入/存储/读出循环。
• 克服长期以来在实际器件应用中电控反铁磁序的挑战。
• 利用补偿反铁磁体（如CuMnAs）中的相对论自旋轨道力矩，实现确定性、非易失性开关。
• 在单个反铁磁比特单元内集成存储与信号处理功能（例如脉冲计数）。
• 通过USB连接的原型系统，验证反铁磁自旋电子学在真实电子系统中的可行性。

提出的方法

• 通过电子束光刻和反应离子蚀刻，在GaP(001)衬底上制备了2 µm尺寸的十字形CuMnAs比特单元。
• 在300 °C下通过分子束外延生长60 nm厚、外延的、四角结构的Cu2Sb型CuMnAs薄膜，晶格失配度小于1%。
• 沿[100]或[010]晶轴施加电流脉冲，产生自旋轨道力矩，通过交错的相对论场实现反铁磁畴的开关。
• 通过在一根臂上通入探测电流，并测量垂直臂上的电压，实现基于平面霍尔效应的电学读出。
• 将器件集成到印制电路板中，配备微控制器和USB接口，实现实时与计算机通信。
• 使用16位ADC和放大器处理并数字化读出信号，以可靠检测多值状态。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在实际器件结构中，利用自旋轨道力矩对反铁磁材料实现纳秒级精确的电控开关？
• RQ2 能否通过可重复的、确定性的畴重构，在反铁磁存储单元中实现多值数据存储？
• RQ3 反铁磁存储单元能否在保持非易失性的同时，执行集成信号处理功能（如脉冲计数）？
• RQ4 在无热饱和的条件下，开关动力学和读出信号如何依赖于脉冲持续时间和积分电流？
• RQ5 将反铁磁存储单元与标准电子系统（如USB）接口在实际应用中是否可行？

主要发现

• 反铁磁CuMnAs存储单元展示了从毫秒到纳秒时间尺度的确定性电场诱导开关。
• 通过可重复的畴重构实现了多值存储操作，读出信号取决于电流脉冲的数量和持续时间。
• 当脉冲持续时间超过约10 µs时，读出信号表现出对积分脉冲时间的普适依赖，表明开关过程中达到热平衡。
• 对于亚微秒脉冲，由于加热不完全，读出信号下降，且在所施加电流密度下，信号在约1 µs以下消失。
• 器件在常温下运行稳定，并成功通过USB与计算机接口，证实其与标准电子设备的兼容性。
• 该系统通过检测脉冲计数和脉冲时间，实现了集成功能，使记忆单元本身具备信号计数操作能力。