苏黎世联邦理工学院 z IMEC为ETH实验生产的芯片
用于测量磁化反转时间的隧道结位于中心(图片由IMEC提供)
信用:IMEC 在苏黎世联邦理工学院的材料系，皮埃特罗·甘巴得拉和他的合作者研究了未来的记忆装置
它们应该是快速的，长时间可靠地保留数据，并且价格低廉
所谓的磁随机存取存储器(MRAM)通过将通过电流的快速切换与磁性材料中的持久数据存储相结合来实现这种圆的正交
几年前，研究人员表明，某种物理效应，即自旋轨道扭矩，使得特别快的数据存储成为可能
现在，甘巴代拉的团队和比利时的IMEC已经暂时解决了单个此类存储事件的确切动态，并使用了一些技巧来使其更快
单自旋磁化 磁性存储数据需要反转铁磁(即永久磁性)材料的磁化方向，以便将信息表示为逻辑值0或1
在磁带或硬盘驱动器等旧技术中，这是通过载流线圈内部产生的磁场来实现的
相比之下，现代MRAM技术直接利用电子的自旋，电子以电流的形式直接流经磁性层
在甘巴代拉的实验中，自旋方向相反的电子被自旋轨道相互作用在空间上分开
这反过来又产生了一个有效的磁场，可以用来反转一个微小金属点的磁化方向
“在早期的实验中，我们用x光对单个磁性金属点进行了频闪扫描，从这些实验中我们知道磁化反转发生得非常快，大约在一纳秒内，”甘巴代拉团队的博士后伊娃·格里茂迪说
“然而，这些是许多逆转事件的平均值
现在，我们想知道一个这样的事件到底是如何发生的，并展示它可以在一个工业兼容的磁存储设备上工作
" 隧道交叉点的时间分辨率 为此，研究人员用磁性隧道结代替了孤立的金属点
这种隧道结包含由仅一纳米厚的绝缘层分隔的两个磁性层
根据自旋方向——沿着磁性层的磁化方向，或者与磁化方向相反——电子可以或多或少容易地穿过绝缘层
这导致电阻取决于一层中磁化相对于另一层的排列，因此代表0和1
根据逆转事件中阻力的时间依赖性，研究人员可以重建该过程的精确动力学
特别是，他们发现磁化反转发生在两个阶段:孵化阶段，在此期间磁化保持不变，以及实际的反转阶段，持续时间不到一纳秒
小波动 “对于一个快速和可靠的存储设备来说，最大限度地减少单个反转事件之间的时间波动是至关重要的，”甘巴德拉博士解释道
D
学生Viola Krizakova
因此，基于他们的数据，科学家们开发了一种策略，使这些波动尽可能小
为此，他们改变了用于控制磁化反转的电流脉冲，从而引入了两种额外的物理现象
所谓的自旋转移扭矩，以及在反转阶段的短电压脉冲，导致反转事件的总时间减少到小于0
3纳秒，时间波动小于0
2纳秒
应用就绪技术 “把所有这些放在一起，我们发现了一种方法，通过这种方法，数据可以在不到一纳秒的时间内毫无误差地存储在磁性隧道结中，”甘巴代拉说
此外，与IMEC研究中心的合作使得直接在工业兼容晶片上测试新技术成为可能
凯文·加雷洛是甘巴代拉实验室的前博士后，他为ETH的实验生产了含有隧道触点的芯片，并为这些芯片优化了材料
因此，从原则上讲，这项技术将立即为新一代MRAM所用
甘巴代拉强调，MRAM存储器特别有趣，因为与传统的静态随机存取存储器或动态随机存取存储器不同，当计算机关闭时，它不会丢失信息；同时，它和那些技术一样快
然而，他承认，MRAM存储器市场目前并不要求如此高的写入速度，因为其他技术瓶颈，如大开关电流引起的功率损耗，限制了存取时间
与此同时，他和他的同事已经在计划进一步的改进；他们想缩小隧道结，使用不同的材料，更有效地利用电流
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