El aumento de temperatura debido al calentamiento Joule se ve reforzado por la resistencia térmica interfacial en la interfaz entre el imán metálico (capa libre) y el aislante porque se suprime la disipación de calor. El aumento de temperatura cambia la dirección del polo magnético de la capa libre (flecha roja). La flecha negra representa la dirección del polo magnético de la capa fija. Crédito:Universidad de Osaka, Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada, y la Universidad de Grenoble Alpes
Investigadores de la Universidad de Osaka, en colaboración con el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industriales Avanzadas (AIST) y la Universidad de Grenoble Alpes, informan sobre una técnica eficaz para controlar la dirección de un imán de tamaño nanométrico mediante el calentamiento a alta velocidad. Los investigadores también descubrieron que los nano-imanes amplifican las señales de microondas. Los logros de este grupo contribuirán a reducir el consumo de energía de los dispositivos de memoria magnetorresistiva de acceso aleatorio (MRAM) e inteligencia artificial (AI). Esto hará que los dispositivos de inteligencia artificial lean y escriban en su memoria de manera más eficiente. suprimiendo así el consumo de energía de las funciones de IA como el aprendizaje automático y la toma de decisiones. Este es otro paso hacia el logro de una sociedad súper inteligente.
Reducir el consumo de energía de los dispositivos de información y comunicación significa que podrían continuar funcionando durante mucho tiempo, incluso en tiempos de desastre. La espintrónica es un campo ampliamente investigado en el que se ha desarrollado la tecnología MRAM utilizando uniones de túnel magnéticas (MTJ). MRAM utiliza la dirección de un polo magnético para almacenar información, para que pueda retener la memoria sin energía en espera. Usando estas tecnologías, Los investigadores han intentado reducir el consumo de energía de los dispositivos de IA.
Controlando la alineación magnética de un MTJ usando una pequeña corriente y voltaje, es posible reducir el consumo de energía del dispositivo. Sin embargo, el problema de la MRAM de par de transferencia de espín (STT-MRAM) es que su voltaje aumenta rápidamente cuando su velocidad de escritura es alta, usando una gran cantidad de poder.
El grupo de investigación ha descubierto que es posible escribir información utilizando menos energía que STT-MRAM cambiando la anisotropía magnética en un MTJ controlando el voltaje aplicado. Para que este método sea práctico, es necesario aumentar la magnitud de la anisotropía magnética controlada por voltaje. Además de encontrar los materiales adecuados, Se han buscado otros métodos para cambiar la anisotropía magnética.
Dependencia del voltaje DC de la anisotropía del polo magnético de la capa libre. Los cuadrados llenos y abiertos representan la dirección del barrido de voltaje. La línea roja es el ajuste de los datos. Las líneas discontinuas amarillas y azules representan los componentes lineales y cuadráticos del accesorio, respectivamente. El primero es el cambio de anisotropía magnética lineal inducida por voltaje convencional, y el último es el cambio de anisotropía magnética inducido por calentamiento de Joule. Crédito:Universidad de Osaka, Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada, y la Universidad de Grenoble Alpes
Los investigadores lograron inducir un cambio de anisotropía magnética gigante en un MTJ con capas de doble aislante mediante calentamiento Joule. A medida que aumenta la temperatura en la capa metálica (libre) de una MTJ, cambios de anisotropía magnética, por lo que es posible cambiar la dirección de un polo magnético. Descubrieron que la anisotropía magnética dependía del voltaje de polarización debido al calentamiento Joule. Esto muestra que el aumento de temperatura inducido por el calentamiento Joule cambió la anisotropía magnética. Cuando los investigadores evaluaron el valor máximo del cambio de anisotropía magnética para un campo eléctrico dado, el tamaño del efecto de calor fue de 300 fJ / Vm, que era casi el mismo que el valor máximo informado del control rápido de voltaje de la anisotropía magnética (VCMA) usando efecto electrónico puro. Aunque la corriente del efecto de calor es mucho mayor en comparación con VCMA, es más eficiente que STT para aplicaciones de alta velocidad. Además, este valor aumentará al mejorar el sistema de calefacción en una MTJ.
El grupo de investigación también encontró que un microondas fue amplificado por un MTJ usando el cambio de anisotropía magnética gigante. La amplificación de microondas se había intentado previamente utilizando un campo magnético de frecuencia de microondas; sin embargo, la potencia de microondas obtenida por métodos convencionales fue 0,005, y no hubo amplificación. El grupo logró una reflectividad de potencia de microondas de 1,6 con un campo magnético de 50 mT y una frecuencia de microondas de 0,4 GHz; es decir, el microondas se amplificó en aproximadamente un 60 por ciento en comparación con el microondas de entrada.
Esquema de la amplificación de microondas (izquierda) y la dependencia del campo magnético de los espectros de reflectividad de potencia de microondas (derecha). La microondas reflejada se amplifica por el voltaje de CC (V corriente continua ) MTJ sesgada. En nuestro experimento, hemos obtenido una reflectividad de potencia de microondas de más de 1,6 bajo un campo magnético externo de 50 mT y una frecuencia de 0,4 GHz. Crédito:Universidad de Osaka, Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada, y la Universidad de Grenoble Alpes
La primera autora Minori Goto dice:"Nuestro estudio es el primer informe de amplificación de microondas utilizando dispositivos espintrónicos. Esta investigación abrirá el camino para desarrollar dispositivos de microondas de alto rendimiento. En el futuro, Anticipamos que nuestra tecnología se aplicará a nuevos dispositivos de microondas con alta sensibilidad y alto rendimiento. Esto también contribuirá a la tecnología de bajo consumo de energía para el hardware MRAM y AI ".
