下一代磁记忆突破：在纳秒下写入数据

IMEC生产的芯片在Eth的实验中。用于测量磁化反转定时的隧道连接位位于中心。

ETH的研究人员已经测量了一种小于100皮秒的分辨率小于100皮秒的新型磁存储器件中的单一写入事件的时间。它们的结果与基于磁性的下一代主要存储器有关。

在苏黎世的ETH材料部门，Pietro Gambardella和他的合作者调查了明天的记忆设备。它们应该快速，长时间保持可靠的数据，也便宜。所谓的磁性“随机接入存储器”（MRAM）通过通过在磁性材料中的耐用数据存储器通过电流组合快速切换来实现圆的这种正交。几年前，研究人员已经表明，一定的物理效果 - 旋转轨道扭矩 - 使得特别快速的数据存储成为可能。现在Gambardella的集团与比利时的R＆D中心IMEC一起，设法暂时解决了单一此类存储事件的确切动态 - 并使用一些技巧来使其更快。

用单旋磁化

为了磁通存储数据，必须颠倒铁磁（即，永久磁）材料的磁化方向，以表示作为逻辑值，0或1的信息。在较旧的技术中，例如磁带或硬盘驱动器，这是通过在电流携带线圈内产生的磁场实现的。相比之下，现代MRAM-记忆直接使用电子的旋转，磁性，与小型罗盘针相同，并且直接通过磁层作为电流。在Gambardella的实验中，具有相对的旋转方向的电子通过旋转轨道相互作用在空间上分离。这又创造了一种有效的磁场，其可用于反转微小金属点的磁化方向。

磁隧道结（MTJ，中心）和电极的电子显微镜图像，用于控制和测量逆转过程。

“我们从早期的实验中知道，我们曾经触摸了X射线的单个磁性电磁点，即磁化反转发生在Gambardella群体的帖子中Eva Grimaldi说。“然而，这些是在许多逆转事件中平均平均值的平均值。现在我们想知道一个此类事件的究竟是如何进行的，并表明它可以在行业兼容的磁存储器件上工作。“

通过隧道交界处的时间分辨率

为此，研究人员通过磁隧道结取代了隔离的金属点。这种隧道结包含由绝缘层分开的两个磁性层，该绝缘层仅厚。取决于旋转方向 - 沿磁性层的磁化，或与其相对 - 电子可以或多或少地通过该绝缘层隧道隧道。这导致电阻，其取决于相对于另一层磁化在一层中的对准，因此表示“0”和“1”。从逆转事件期间阻力的时间依赖，研究人员可以重建过程的确切动态。特别地，他们发现磁化反转发生在两个阶段：孵育阶段，在此期间磁化保持恒定，并且实际的反转阶段持续少于纳秒。

小波动

“对于快速可靠的存储器设备，必须最小化近迁移事件之间的时间波动，”Gambardella的博士说明。学生Viola Krizakova。因此，基于他们的数据，科学家制定了一种使这些波动尽可能小的策略。为此，它们改变了用于控制磁化反转的电流脉冲，以便引入两种额外的物理现象。所谓的自旋转移扭矩以及在反转阶段期间的短电压脉冲现在导致逆转事件的总时间降低到小于0.3纳秒，时间波动小于0.2纳秒。

通过电子旋转（蓝色和黄色箭头）反转红盘的磁隧道结（黄色和红色盘）。通过隧道电阻（垂直蓝箭头）测量反转过程。

“将所有这些都在一起，我们发现了一种方法，即在几乎没有任何错误和少于纳秒的情况下可以存储在磁隧道连接中的方法，”Gambardella说。此外，与研究中心IMEC的合作使得可以直接在行业兼容的晶圆上测试新技术。来自Gambardella Lab的前医学博士凯文加勒科生产了芯片的芯片，该芯片包含Eth的实验，并优化了它们的材料。原则上，该技术将立即准备好用于新一代MRAM。

Gambardella强调MRAM存储器特别有趣，因为不同的是与SRAM或DRAM等传统的主要存储器不同，当计算机关闭时，它们不会丢失其信息，但仍然同样快速。然而，他承认，MRAM记忆的市场目前不需要如此高的写速度，因为其他技术瓶颈如大型开关电流引起的电源损耗限制了访问时间。与此同时，他和他的工作人员已经计划进一步改进：他们希望缩小隧道交叉点，并使用更有效地使用电流的不同材料。

参考：Eva Grimaldi，Viola Krimaldi，Vira Krimaldi，ViacaComo Sala，Farrukh Yasin，Sébastien，Gouri Sankar Kar，Kevin Garello和Pietro Gamarko，凯文加勒比和Pietro Gampartella，27 2020年1月，自然纳米技术.DOI：
10.1038 / s41565-019-0607-7