Kleine wijziging leidt tot grote sprongen in onderzoek naar materialen voor toekomstige geheugentechnologie

AmsterdamOnderzoekers van de Pohang University of Science and Technology (POSTECH) hebben een belangrijke vooruitgang geboekt in materiaalkunde. Deze doorbraak heeft geleid tot betekenisvolle vooruitgang in spin-orbit torque (SOT) materialen, die cruciaal zijn voor toekomstige DRAM-geheugens. Het onderzoeksteam bestond uit professor Daesu Lee en PhD-kandidaat Yongjoo Jo van de afdeling Natuurkunde, evenals professor Si-Young Choi van de afdeling Materiaalkunde en Techniek. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Nano Letters.

De belangrijkste ontdekking hield in:

• Ontwikkelen van zeer efficiënte, veldvrije SOT-magnetisatieomschakeling.
• Gebruik van atoomniveau controle over samengestelde oxiden.
• Focussen op strontiumruthenaat (SrRuO₃).

SOT vindt plaats wanneer de magnetische en elektrische eigenschappen van elektronen elkaar beïnvloeden. Deze wisselwerking verandert de magnetische toestand door de beweging van spins wanneer er stroom loopt. Het gebruik van magnetische gegevens in plaats van elektrische gegevens verlaagt het stroomverbruik van het geheugen. Dit is vooral nuttig voor niet-vluchtig geheugen, dat data behoudt zelfs wanneer de stroom is uitgeschakeld.

Onderzoekers bestuderen verschillende materialen, voornamelijk halfgeleiders en metalen, om exemplaren te vinden die zowel magnetisme als het "spin-Hall effect" vertonen. Een belangrijk doel is om efficiënte magnetisatieschakeling te bereiken via spin-orbit koppels (SOKs). Een uitdaging hierbij is dat tegenstellende spin stromingen in een enkele laag elkaar kunnen neutraliseren.

Professoren Lee en Choi benaderden dit probleem door de kleine structuur van het materiaal aan te passen. Hun aandacht ging uit naar SrRuO3, dat zowel magnetisme als spin-Hall-effecten vertoont. Het team produceerde SrRuO3 met verschillende spin-Hall-effecten in de bovenste en onderste lagen door de atoomstructuur van deze lagen te veranderen.

Lees ook:

Vandaag · 09:56

Doorbraak in orgaanacceptatie met nanotechnologie en immunotherapie

Ze hebben het spin-Hall-effect aangepast met een speciaal ontworpen oppervlak om de magnetisatierichting te beheersen. Zonder gebruik te maken van een magneetveld konden ze de magnetisatie efficiënt schakelen. Ze integreerden de spin-orbit koppel (SOK) in een apparaat gemaakt van SrRuO3. Hierdoor konden ze de magnetische oriëntatie alleen met elektrische stroom veranderen en zo gegevens lezen en schrijven.

Het resulterende geheugendevice toonde:

• Uitstekende efficiëntie (2 tot 130 keer beter).
• Minimaal energieverbruik (2 tot 30 keer lager).

Dit is vergeleken met elk bekend eénlaags systeem zonder magnetisch veld. De magnetisatie werd gewijzigd zonder gebruik van een magnetisch veld en behield de gebruikelijke eigenschappen van SrRuO3 uit eerdere onderzoeken.

Professor Lee benadrukte het belang van het asymmetrische SrRuO3, dat door het team ontwikkeld werd, voor het onderzoeken van de relatie tussen ferromagnetisme en het spin-Hall-effect. Hij kijkt uit naar meer onderzoek dat nieuwe SOT-mechanismen identificeert en leidt tot de ontwikkeling van uiterst efficiënte, enkelvoudige SOT-materialen die werken bij kamertemperatuur.

De studie werd gefinancierd door het Samsung Future Technology Incubation Programma en het Mid-Career Research Program van de Nationale Onderzoeksraad van Korea.