Nat. Electron.: 自旋轨道矩（SOT）磁存储器件的时间分辨磁光探测

2022-12-07 03:12

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利用电子自旋作为信息载体的磁随机存储器（MRAM），在速度、耐久性、功耗等方面具有不可替代的优越性，被认为是最有前景的新型存储器之一。由于其兼具高速缓存的快速读写和外部存储的非易失性，有望通过“非冯诺依曼”的存内计算架构，解决制约计算系统性能的“存储墙”问题。可见，“信息的高速非易失性写入”是新型存储器所追求的目标之一，也是未来存算一体技术发展的关键。如何探索MRAM的信息写入速度极限，解析高速存储的动态过程，阐明其动力学机制，是亟需解决的科学问题。

近日，清华大学联合德国慕尼黑工业大学、台湾国立清华大学研究团队，在磁存储器件的超快自旋动力学探测方面取得突破。研究团队采用时间分辨的磁光克尔探测技术，结合空间分辨的微磁学模拟，首次报道了自旋轨道矩（SOT）磁存储器件在百皮秒时间尺度下的信息写入过程和自旋动力学机制，并实现了器件超快的多值存储和交换偏置调控。该成果对于推动高速磁随机存储器的发展，及其在存算一体、神经拟态计算方面的应用具有重要意义。

为攻克自旋器件在极限写入速度时难以探测自旋状态的瓶颈，研究团队提出采用超快光电协同的磁动力学探测方法，设计开发了高速协同的光-电-磁耦合测试系统，突破了超快时空分辨的“电学泵浦+光学探测”的核心技术。采用数百皮秒脉冲电流对SOT器件进行信息写入，同时利用时间和空间分辨的微区磁光克尔效应，探测器件“0”和“1”之间的磁矩状态在100ps时间分辨率下的翻转过程，相较于传统准静态的电学探测时间（μs）提升了4个数量级。

图1，超快磁光克尔测试系统及器件结构示意图（上）

时间分辨的多值磁化状态写入过程（下）。

研究表明，通过在SOT器件中引入“铁磁/反铁磁”交换偏置结构，不仅可以利用其有效交换偏置场，实现无需外磁场的信息写入操作，还能够克服热稳定性的挑战，提升信息写入速度。得益于反铁磁界面的多畴磁结构，实现了器件的多值存储，并可以通过外磁场、电流脉冲宽度、脉冲电流大小等灵活调控。更重要的是，这种多值存储过程可以在百皮秒到纳秒的时间尺度完成，并在电学脉冲撤掉之后稳定保持，克服了以往器件由于热效应带来的弛豫现象。同时，该研究首次证明，界面交换偏置磁结构也可以被1ns的电流脉冲高速翻转，为高热稳定的反铁磁MRAM器件的应用提供了技术基础。

此外，具有可解释性的自旋动力学是磁存储器件的一个重要优势。研究工作进一步通过空间分辨的微磁学模拟计算，解析了SOT器件中铁磁/反铁磁界面的磁畴演化过程，在纳米微区尺度证实了铁磁和反铁磁磁畴的超快协同翻转。未来，通过设计基于新材料、新结构、新机理的反铁磁SOT-MRAM器件，有望进一步提升器件写入速度并降低功耗，推动MRAM在神经拟态计算、存算一体等领域的应用。

图2，1ns脉冲电流驱动的交换偏置场变化（上）

时间与空间分辨的磁化翻转过程的微磁学模拟（下）。

相关研究成果近日以“Time-resolved detection of spin–orbit torque switching of magnetization and exchange bias”为题发表在Nature Electronics上。清华大学信息国家研究中心副研究员、德国洪堡学者王钰言为论文共同第一作者和通讯作者，德国慕尼黑工业大学Christian Back教授为共同通讯作者。

近年来，作者在自旋动力学研究领域取得了系列进展：首次在基于超薄FeRh磁相变材料的自旋器件中，实现从铁磁畴到反铁磁畴的侧向自旋泵浦效应（Nature Communications, 11, 275 (2020)）；随后，设计研制了高自旋透明的铁磁/反铁磁FeRh同质结器件，解决了传统异质结界面自旋流耗散的问题，实现了高效的自旋-电荷转换（Science Advances, 8, eabq2742 (2022)）；近日，在Nature Electronics上报道了磁存储器件在百皮秒时间尺度下的信息写入过程和自旋动力学机制，系列研究工作将有助于推动新型高速、低功耗的自旋电子器件的发展。