[论文解读] Picosecond all-optical switching of magnetic tunnel junctions

Junyang Chen, Li He+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2016

Magnetic properties of thin films参考文献 39被引用 36

一句话总结

该论文展示了利用单个电信波段红外激光脉冲，通过铁石榴石型GdFeCo自由层实现磁性隧道结（MTJ）的皮秒级全光开关，实现超快磁化反转。通过隧道磁阻效应直接测量开关过程，磁阻变化率DR/R为0.6%，重复频率达MHz量级，理论极限超过数十GHz，标志着集成光自旋电子器件的重要进展。

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.

研究动机与目标

• 为克服传统自旋电子学开关机制的根本速度限制，其速度受限于10–100 ps的自旋进动时间。
• 实现在磁性隧道结（MTJs）中无需外加磁场或电流的全光磁化控制。
• 展示一种可功能化、光学可开关的MTJ，并通过磁阻效应直接读出，以实现自旋电子器件中的实际集成。
• 为集成光自旋电子系统奠定基础，结合光子学与自旋电子学，实现超快信息处理。

提出的方法

• MTJ结构采用反铁磁性GdFeCo层作为自由层，因其在光激发下具有超快去磁化与恢复动力学。
• 使用单个低能量、电信波段红外激光脉冲（1550 nm）通过超快去磁化激发自旋系统，实现全光开关。
• 通过实时测量隧道磁阻（TMR）响应监测开关过程，DR/R比值为0.6%，表明磁态调制成功。
• 设备以重复模式运行，仪器限制的开关速率达MHz量级，理论极限超过数十GHz。
• 实验装置包括时间分辨TMR测量，以关联激光脉冲时序与磁化反转动力学。
• 系统设计兼容现有光子集成平台，为未来片上光自旋电子电路铺平道路。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅通过单个红外激光脉冲在功能型磁性隧道结中实现全光开关？
• RQ2 此类全光MTJ系统的根本开关速度极限是多少？
• RQ3 能否在皮秒量级的开关事件中，通过隧道磁阻效应直接且可靠地读出磁化反转？
• RQ4 为何选择反铁磁性GdFeCo作为自由层可实现超快开关动力学？
• RQ5 该全光MTJ在实际应用中实现数十GHz运行的潜力如何？

主要发现

• MTJ仅通过单个1550 nm红外激光脉冲实现了全光开关，展示了皮秒量级的开关动力学。
• 隧道磁阻（TMR）响应显示出可测量的DR/R比值为0.6%，证实了成功且可逆的磁化开关。
• 实验验证了仪器限制的MHz重复开关速率，理论上限超过数十GHz。
• 开关机制依赖于反铁磁性GdFeCo层中的超快去磁化与恢复，实现亚100 ps的反转时间。
• 结果证实了光学控制与自旋电子MTJ集成的可行性，为全光自旋电子存储与逻辑器件铺平道路。
• 该系统无需外加磁场或电流运行，凸显了实现能效高、速度快的信息处理的潜力。