Le National Institute for Materials Science (NIMS) a atteint un taux de magnétorésistance tunnel (TMR) de 631 % à température ambiante, battant ainsi le précédent record mondial, qui durait depuis 15 ans.
L’équipe de recherche y est parvenue en affinant les interfaces dans une jonction tunnel magnétique (MTJ). Ce MTJ présentait un très grand effet d’oscillation du rapport TMR avec une différence de crête à vallée (PV) de 141 %. Ce phénomène peut être exploitable pour augmenter significativement la sensibilité des capteurs magnétiques et la capacité des mémoires vives magnétorésistives (MRAM).
Cette recherche a été publiée en ligne dans Lettres de physique appliquée.
La magnétorésistance tunnel (TMR) est un changement spectaculaire du courant tunnel dans un MTJ – qui se compose de deux ferromagnétiques séparés par un mince isolant – lorsque les magnétisations relatives des deux couches ferromagnétiques changent d’alignement. Cet effet a été utilisé dans de minuscules capteurs magnétiques très sensibles et des MRAM écoénergétiques.
La sensibilité du capteur et la densité de MRAM peuvent toutes deux être augmentées en utilisant des MTJ capables de produire des rapports TMR plus importants (c’est-à-dire des différences de résistance électrique générées par un MTJ lorsque l’orientation de l’aimantation de ses deux ferromagnétiques bascule entre parallèle et antiparallèle).
Un rapport TMR à température ambiante de 604 % enregistré en 2008 était resté le record du monde jusqu’à récemment. Parce que ce record s’est démarqué pendant des années, il était largement admis qu’il restait peu de place à l’amélioration dans les performances du capteur magnétique et de la MRAM.
Cette équipe de recherche du NIMS a récemment battu ce record de rapport TMR en contrôlant avec précision les interfaces dans un MTJ composé de deux couches magnétiques minces séparées par une fine couche isolante. L’équipe a apporté des modifications à l’échelle atomique au MTJ, y compris la fabrication de tous ses composants de couche à partir de monocristaux et l’ajout d’une couche de magnésium métallique ultra-mince entre les couches magnétique et isolante. En conséquence, l’équipe a pu créer un MTJ avec un ratio TMR maximum de 631 %.
De plus, il a été constaté que le rapport TMR de ce MTJ oscillait avec une différence de PV de 141 %, ce qui est nettement supérieur à la différence de PV des MTJ existants (jusqu’à quelques dizaines de pour cent). Ce résultat était cohérent avec la découverte précédente selon laquelle la différence PV d’oscillation d’un rapport TMR est fortement influencée par l’épaisseur de la couche d’isolation.
Dans les recherches futures, l’équipe s’efforcera de faire la lumière sur la relation mal comprise entre les ratios TMR et leur différence de PV d’oscillation en étudiant les mécanismes à l’origine de la grande différence de PV observée dans cette recherche. Cette compréhension pourrait permettre à l’équipe de battre son propre record mondial de rapport TMR à température ambiante.
Grâce à ce résultat révolutionnaire, l’équipe travaillera à accélérer le développement de capteurs magnétiques ultrasensibles à usage médical et de MRAM de très grande capacité.
Ce projet a été mené par une équipe de recherche dirigée par Thomas Scheike (Chercheur spécial, Centre de recherche sur les matériaux magnétiques et spintroniques (CMSM), NIMS) et Hiroaki Sukegawa (Chef de groupe, CMSM, NIMS).
Plus d’information:
Thomas Scheike et al, 631 % de magnétorésistance tunnel à température ambiante avec un effet d’oscillation important dans les jonctions CoFe/MgO/CoFe(001), Lettres de physique appliquée (2023). DOI : 10.1063/5.0145873