Breaking the electromagnetic boundaries in ferromagnetic materials
Researchers at Transformative Quantum Technology at the University of Waterloo are accelerating towards fully electrical spintronics.
By Lubaba Hoque, Transformative Quantum Technologies
The ability to manipulate magnetization is highly desirable in real world applications such as data storage and medical imaging. For instance, within the aerospace, defence and automotive industries, Magnetoresistive Random Access Memories (MRAM’s) are widely used for information storage. However, the manipulation of spin state in ferromagnetic materials is often not very energy efficient. In recent years, Spin-Orbit Torque (SOT), has received attention for its ability to manipulate the spin states in a more localized and energy efficient manner. Still, scalability remains a challenge.
In MRAM’s, the perpendicular configuration of spin elements makes them denser and often requires additional magnetic fields to manipulate the spins to the desired state (up or down). Conventional SOT can readily switch spin elements in the in-plane directions, but not up or down. To switch a perpendicular spin element, an external field is required to tilt it to the up or down position. This in turn adds additional overhead and accidental disturbances to neighbouring bits.
Transformative Quantum Technologies (TQT) supported researchers Dr. Guo-Xing Miao, Institute for Quantum Computing (IQC) Faculty and Professor, Department of Electrical and Computer Engineering, and his group have demonstrated a way to bypass the need for additional magnetic fields. The researchers have shown that coupled with a low symmetry system, the fully electric SOT allows bias-field free, deterministic switching of the perpendicular spin elements to the desired state. This is done by breaking all-in plane symmetries, which conventional SOT cannot do without the use of external magnetic fields.
“By engineering the interfacial symmetries, we have achieved a giant, perpendicular spin-orbit torque that can switch even very hard magnets without actual applied field. This is a breakthrough towards integrated, fully electric spintronic memory and logic devices.”
-Dr. Guo-Xing Miao, IQC Faculty and Professor, Department of Electrical and Computer Engineering
Repousser les limites électromagnétiques des matériaux ferromagnétiques
À l’Université de Waterloo, les chercheurs de l’initiative Transformative Quantum Technologies avancent à grands pas vers une électronique de spin totalement électrique.
Par Lubaba Hoque, Transformative Quantum Technologies
La maîtrise de la magnétisation présente d’importants avantages pour des applications concrètes, telles que le stockage des données et l’imagerie médicale. Par exemple, dans les secteurs de l’aérospatiale, de la défense et de l’automobile, les mémoires vives magnétiques (MRAM) sont largement utilisées à des fins de stockage de l’information. Mais la manipulation de l’état de spin dans les matériaux ferromagnétiques est souvent gourmande en énergie. Dans les dernières années, on s’est intéressé au couplage spin‑orbite en raison de sa capacité à arranger les états de spin d’une manière plus localisée et plus efficace énergétiquement. Toutefois, l’extensibilité continue de poser problème.
À l’intérieur des mémoires MRAM, la configuration perpendiculaire des éléments de spin les rend plus denses et nécessite souvent des champs magnétiques supplémentaires pour amener les spins à l’état désiré (vers le haut ou vers le bas). Les couplages spin‑orbite traditionnels peuvent facilement inverser les éléments de spin sur un plan horizontal, mais pas vertical. Pour échanger un élément de spin perpendiculaire, il faut un champ externe qui l’incline dans une position vers le haut ou vers le bas, ce qui, en retour, ajoute une charge supplémentaire et entraîne des perturbations accidentelles pour les bits voisins.
Dans le cadre de l’initiative Transformative Quantum Technologies (TQT), Guo-Xing Miao, professeur à l’Institut d’informatique quantique (IQC) et au Département de génie électrique et informatique, et son groupe de recherche ont mis en lumière un moyen de contourner la nécessité de champs magnétiques supplémentaires. Les chercheurs ont montré qu’avec un système de basse symétrie, le couplage spin-orbite entièrement électrique permet une conversion déterministe, sans champ de polarisation, des éléments de spin perpendiculaires vers l’état désiré. Pour cela, il faut rompre toutes les symétries planes, ce dont le couplage spin-orbite traditionnel n’est pas capable sans recourir à des champs magnétiques externes.
« En manipulant les symétries interfaciales, nous avons obtenu un couplage spin-orbite perpendiculaire géant, qui peut inverser même les aimants les plus résistants sans qu’un champ soit effectivement appliqué. C’est une percée vers la mise au point d’appareils de mémoire et de logiques reposant sur la spintronique entièrement électrique. »
-Dr. Guo-Xing Miao, professeur à l’IQC et au Département de génie électrique et informatique