一種通過高速加熱來控制納米尺寸磁體方向的有效技術(shù)

大阪大學(xué)的研究人員與國家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究院（AIST）和格勒諾布爾阿爾卑斯大學(xué)合作，報(bào)告了一種通過高速加熱來控制納米尺寸磁體方向的有效技術(shù)。研究人員還發(fā)現(xiàn)，納米磁鐵會(huì)放大微波信號(hào)。該小組的成就將有助于降低磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM）和人工智能（AI）設(shè)備的功耗。這將使AI設(shè)備更有效地對其內(nèi)存進(jìn)行讀寫，從而抑制AI功能（如機(jī)器學(xué)習(xí)和決策）的功耗。這是邁向超級(jí)智能社會(huì)的又一步。

降低功率的信息和通信設(shè)備消耗意味著他們可以繼續(xù)運(yùn)行很長一段時(shí)間，即使是在發(fā)生災(zāi)害時(shí)。自旋電子學(xué)是一個(gè)廣泛研究的領(lǐng)域，其中利用磁隧道結(jié)（MTJ）開發(fā)了MRAM技術(shù)。MRAM使用磁極的方向存儲(chǔ)信息，因此無需等待電源即可保留內(nèi)存。使用這些技術(shù)，研究人員試圖減少AI設(shè)備的能耗。

通過使用較小的電流和電壓來控制MTJ的磁對準(zhǔn)，可以降低器件功耗。但是，自旋轉(zhuǎn)移矩MRAM（STT-MRAM）的問題在于，當(dāng)其寫入速度很高時(shí)，其電壓會(huì)使用大量功率迅速增加。

該研究小組發(fā)現(xiàn)，通過控制施加的電壓來改變MTJ中的磁各向異性，可以使用比STT-MRAM少的能量來寫入信息。為了使該方法可行，有必要增加壓控磁各向異性的幅度。除了尋找合適的材料之外，還尋求其他改變磁各向異性的方法。

研究人員通過焦耳加熱成功地在具有雙重絕緣層的MTJ中引起了巨大的磁各向異性變化。隨著MTJ的金屬（自由）層中的溫度升高，磁各向異性改變，因此變得可以改變磁極的方向。他們發(fā)現(xiàn)，磁各向異性取決于焦耳加熱引起的偏置電壓。這表明焦耳加熱引起的溫度升高改變了磁各向異性。當(dāng)研究人員評(píng)估給定電場的磁各向異性變化的最大值時(shí)，熱效應(yīng)的大小為300 fJ / Vm，幾乎與報(bào)告的磁各向異性快速電壓控制的最大值相同（ VCMA）使用純電子效果。盡管熱效應(yīng)電流比VCMA大得多，對于高速應(yīng)用，它比STT更有效。另外，該值將通過改善MTJ中的加熱系統(tǒng)而增加。

該研究小組還發(fā)現(xiàn)，利用巨大的磁各向異性變化，MTJ將微波放大。先前已經(jīng)嘗試使用微波頻率磁場來進(jìn)行微波放大。然而，通過常規(guī)方法獲得的微波功率為0.005，并且沒有放大。該小組在50 mT磁場和0.4 GHz微波頻率下的微波功率反射率達(dá)到1.6。也就是說，與輸入微波相比，微波放大了大約60%。

第一作者米諾利藤說，“我們的研究是利用自旋電子學(xué)器件的微波放大的第一份報(bào)告。該研究將打開的方式來開發(fā)高性能微波器件。展望未來，我們預(yù)計(jì)我們的技術(shù)將被應(yīng)用到新的微波與設(shè)備高靈敏度和高輸出。這也將有助于MRAM和AI硬件的低功耗技術(shù)?！?/p>