[论文解读] THz electrical writing speed in an antiferromagnetic memory

K. Olejník, Tom S. Seifert+12 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2017

Mechanical and Optical Resonators参考文献 1被引用 6

一句话总结

本研究通过使用超短电流脉冲，在反铁磁性存储器器件中实现了高达太赫兹（THz）范围的电写入速度。研究人员利用CuMnAs中的电流诱导交错自旋扭矩场，实现了脉宽为1皮秒（ps）的可逆开关，证明了反铁磁性存储器可突破铁磁性MRAM的GHz速度限制，并实现了太赫兹频段下能效高、超快的存算一体化。

ABSTRACT

The speed of writing of state-of-the-art ferromagnetic memories is physically limited by an intrinsic GHz threshold. Recently, an alternative research direction has been initiated by realizing memory devices based on antiferromagnets in which spin directions periodically alternate from one atomic lattice site to the next. In our work we experimentally demonstrate at room temperature that the speed of reversible electrical writing in a memory device can be scaled up to THz using an antiferromagnet. Efficient current-induced spin-torque mechanism is responsible for the switching in our memory devices throughout the twelve orders of magnitude range of writing speeds from Hz to THz. Our work opens the path towards the development of memory-logic technology reaching the elusive THz band.

研究动机与目标

• 通过探索反铁磁性材料，突破传统铁磁性磁随机存取存储器（MRAM）的GHz速度限制。
• 通过反铁磁性比特单元实验演示太赫兹（THz）范围的电写入速度。
• 在超短 timescale（皮秒范围）验证电流诱导交错自旋扭矩开关在反铁磁体中的可行性。
• 确立反铁磁性存储器与微电子电路的兼容性及其在集成存算功能方面的潜力。
• 探索利用单一器件平台从Hz到THz的写入速度可扩展性，而无需外部太赫兹处理器。

提出的方法

• 采用具有高奈尔温度的CuMnAs交叉形反铁磁性比特单元，实现在室温下稳定的反铁磁序。
• 使用沿两个正交方向线性极化的非接触式太赫兹电磁瞬态脉冲，生成约1皮秒（ps）的超短电流脉冲以实现电写入。
• 通过自旋轨道耦合施加电流诱导的交错自旋扭矩场，该场在反演对称位置表现出相反极化的有效场，作用于反铁磁性奈尔序。
• 采用反铁磁横向各向异性磁阻（AMR）进行电读出，检测每次写入脉冲后奈尔矢量的取向。
• 将基于接触的脉冲（低至250 ps）与非接触式太赫兹瞬态脉冲的结果进行对比，以分离脉冲宽度的影响，并在亚100 fs至1 ps timescale 验证开关保真度。
• 采用时间分辨测量确认记忆效应，读出发生在皮秒级写入脉冲之后的宏观延迟时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 反铁磁性存储器的电写入速度是否可突破铁磁性MRAM的GHz速度限制？
• RQ2 电流诱导的交错自旋扭矩机制是否在反铁磁性材料中于亚皮秒时间尺度（1 ps）有效实现开关？
• RQ3 反铁磁性比特单元是否能在从Hz到THz的十二个数量级写入速度范围内保持稳定且可逆的开关？
• RQ4 与铁磁性对应物相比，反铁磁系统在太赫兹速度下的写入能效如何？
• RQ5 反铁磁性存储器是否可在无需独立高速处理器的情况下，支持太赫兹速度下的集成存算功能？

主要发现

• 研究人员实验上实现了在1太赫兹（THz）速度下的反铁磁性存储器可逆电写入，对应脉宽为1皮秒（ps）。
• 通过沿两个正交方向线性极化的非接触式太赫兹电磁瞬态脉冲实现，诱导出交错自旋扭矩场。
• 电流诱导的交错场有效切换了奈尔矢量取向，无需宏观磁场，从而在可实现的电流密度下实现高速运行。
• 写入速度在从Hz到THz的十二个数量级范围内实现扩展，且保持一致的开关保真度，证实了该机制的鲁棒性。
• 由于有效开关场中不存在交换增强效应，THz速度下的写入能耗保持较低，与铁磁体中随频率线性增长的情况不同。
• 记忆效应使得在皮秒级写入脉冲后，可在宏观时间尺度（毫秒范围）进行读出，从而实现对开关动力学的时间分辨研究，并为未来超快写入-读取循环铺平道路。