Alta densidade de corrente de spin no portão

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9234 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

O uso de materiais bidimensionais (2D) será muito vantajoso para muitos projetos de dispositivos spintrônicos em desenvolvimento, fornecendo um método superior de gerenciamento de rotação. Tecnologias de memória não voláteis, particularmente memórias magnéticas de acesso aleatório (MRAMs), caracterizadas por materiais 2D são o objetivo do esforço. Uma densidade de corrente de spin suficientemente grande é indispensável para que o modo de escrita das MRAMs mude de estado. Como atingir a densidade de corrente de spin além dos valores críticos em torno de 5 MA/cm2 em materiais 2D à temperatura ambiente é o maior obstáculo a ser superado. Aqui, primeiro propomos teoricamente uma válvula de spin baseada em nanofitas de grafeno (GNRs) para gerar uma enorme densidade de corrente de spin à temperatura ambiente. A densidade de corrente de spin pode atingir o valor crítico com a ajuda da tensão de porta ajustável. A densidade de corrente de spin mais alta pode atingir 15 MA/cm2 ajustando a energia de intervalo de banda de GNRs e a força de troca em nossa válvula de spin ajustável por portão proposta. Além disso, o poder de gravação ultrabaixo pode ser obtido, superando com sucesso as dificuldades que os MRAMs tradicionais baseados em junção de túnel magnético enfrentaram. Além disso, a válvula giratória proposta atende aos critérios do modo de leitura e as taxas de RM são sempre superiores a 100%. Esses resultados podem abrir caminhos de viabilidade para dispositivos de lógica de spin baseados em materiais 2D.

A Spintronics desempenhou um papel importante na superação das limitações das tecnologias tradicionais e atraiu grande atenção por décadas. Ultimamente, o uso de materiais bidimensionais (2D) permitiu que os pesquisadores fizessem experimentos antes impensáveis ​​e testassem estruturas conceituais da spintrônica devido à sua espessura ultrafina e propriedades físicas únicas1,2,3. Portanto, um número crescente de dispositivos spintrônicos baseados em materiais 2D, como grafeno3,4, dicalcogenetos de metais de transição (TMDs)5 e isoladores topológicos (TIs)6, têm sido demonstrados mais recentemente.

A memória magnética de acesso aleatório (MRAM) é um dispositivo spintrônico promissor, adequado para computação de alta eficiência e computação de borda usada em IA, IoT e aprendizado de máquina7,8. Além disso, a MRAM atraiu atenção considerável devido à sua não volatilidade e alto desempenho de leitura/gravação, tornando-a uma substituta atraente para DRAM, SRAM e Flash9,10. Apesar de serem prospectivas, as MRAMs tradicionais baseadas em junção de túnel magnético (MTJ) ainda apresentam alguns defeitos. Por exemplo, MRAMs de torque de transferência de rotação (STT-MRAMs) sofrem de desvantagens, como alta potência de comutação e resistência insuficiente11. Além disso, reduzir o tamanho dos MTJs, necessitar de um campo magnético adicional e exigir alta potência de comutação são pontos fracos para MRAMs de torque spin-órbita (SOT-MRAMs)12,13. Para evitar as desvantagens mencionadas, a pesquisa atual concentrou-se em tecnologias de memória magnética baseadas em 2D14,15. A criação, injeção, detecção, transmissão e manipulação do sinal de spin são os principais fatores que impactam os desempenhos de leitura e escrita na memória magnética baseada em 2D16,17.

Ler e escrever são duas funções bastante importantes das MRAMs, caracterizadas pela relação de magnetorresistência (MR) e densidade de corrente de spin, respectivamente. Uma proporção mínima de MR de cerca de 20% é necessária para ler o estado nas tecnologias MRAM18. Razões de RM de 0,73%19 e 5%20 foram relatadas experimentalmente com base em materiais 2D. Pesquisadores descobriram que a proporção de MR de válvulas giratórias baseadas em 2D pode atender ao requisito aplicável para leitura em previsão teórica21,22,23. Por outro lado, para escrever o estado, é necessária uma densidade crítica de corrente de spin (CSCD) de cerca de 5 MA/cm2 à temperatura ambiente para alternar entre dois estados da camada livre na memória24,25,26. É fundamental manter a estabilidade térmica, o que impossibilita a redução do excesso de CSCD no uso prático26. Portanto, como gerar densidade de corrente de spin além do valor crítico é uma questão vital para projetar válvulas de spin baseadas em 2D27.