In einem Artikel veröffentlicht in NaturkommunikationEinem internationalen Team unter der Leitung von Forschern der Nanodevices-Gruppe am CIC nanoGUNE gelang es, spannungsbasierte Magnetisierungsumschaltung und -auslesung magnetoelektrischer Spin-Bahn-Nanogeräte durchzuführen. Diese Studie stellt einen Funktionsnachweis dieser Nanogeräte dar, die die Bausteine für die magnetoelektrische Spin-Orbit-Logik (MESO) sind, und eröffnet einen neuen Weg für Low-Power-Technologien jenseits von CMOS.
Ein Weg zum magnetfeldfreien, spannungsbasierten Schalten des Magnetismus wurde unter Verwendung magnetoelektrischer Materialien vorgeschlagen, die mehr als eine der primären ferroischen Eigenschaften in derselben Phase aufweisen. Unter mehreren möglichen Kombinationen wird erwartet, dass die Koexistenz von Ferroelektrizität und Ferromagnetismus die Steuerung der Magnetisierung durch Umschalten der ferroelektrischen Polarisation mit einem elektrischen Feld ermöglicht.
In dieser Kategorie war Wismutferrit (BiFeO3) das am besten untersuchte Material, das bei Raumtemperatur eine enge Kopplung zwischen antiferromagnetischen und ferroelektrischen Ordnungen aufweist.
Der Weg zu multiferroischen Geräten war lang und beschwerlich, und es wurden nur spärliche Ergebnisse gemeldet. Es wird jedoch erwartet, dass solche Geräte Magnetisierungsschreibenergien bis in den Attojoule-Bereich bringen können, was im Vergleich zu modernen strombasierten Geräten eine Verbesserung um mehrere Größenordnungen darstellt.
Diese treibende Kraft führte zum jüngsten Vorschlag der MESO-Logik, der ein spinbasiertes Nanogerät neben einem Multiferroikum vorschlägt, bei dem die Magnetisierung ausschließlich mit einem Spannungsimpuls umgeschaltet und mithilfe von Spin-to-Charge-Stromumwandlungsphänomenen (SCC) elektrisch gelesen wird.
Nun demonstrierte ein Forscherteam die experimentelle Umsetzung eines solchen Geräts. Das Team stellte SCC-Nanogeräte auf BiFeO3 her und analysierte die Reversibilität der Magnetisierung von ferromagnetischem CoFe mithilfe einer Kombination aus Piezoreaktions- und Magnetkraftmikroskopie, wobei der Polarisationszustand von BiFeO3 und die Magnetisierung von CoFe beim Umschalten abgebildet werden.
Die Forscher korrelierten dies dann mit vollelektrischen SCC-Experimenten, bei denen Spannungsimpulse angelegt wurden, um das BiFeO3 umzuschalten, wodurch die Magnetisierung von CoFe umgekehrt wurde (Schreiben), und je nach Magnetisierungsrichtung (Lesen) unterschiedliche SCC-Ausgangsspannungen gemessen wurden.
Die veröffentlichten Ergebnisse unterstützen das spannungsbasierte Schalten und Lesen der Magnetisierung in Nanogeräten bei Raumtemperatur, ermöglicht durch Austauschkopplung zwischen multiferroischem BiFeO3 und ferromagnetischem CoFe zum Schreiben und SCC zwischen CoFe und Pt zum Lesen.
Während weitere Arbeiten im Hinblick auf die Steuerbarkeit und Reproduzierbarkeit des Schaltens erforderlich sind, insbesondere im Hinblick auf die ferroelektrischen und magnetischen Texturen in BiFeO3, stellen diese Ergebnisse einen wichtigen Schritt vorwärts in Richtung Spannungssteuerung der Magnetisierung in Nanomagneten dar, die für zukünftige Spin- basierte Logik- und Speichergeräte.
Mehr Informationen:
Diogo C. Vaz et al., Spannungsbasiertes Schalten und Lesen der Magnetisierung in magnetoelektrischen Spin-Orbit-Nanogeräten, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-45868-x