Нет

Oct 31, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 11600 (2023) Цитировать эту статью

399 Доступов

Подробности о метриках

Давняя цель логических устройств на базе КМОП — удовлетворить потребности ключевых рынков, включая работу со сверхнизким энергопотреблением и высокой скоростью работы, а также продолжающуюся миниатюризацию архитектуры. Однако, несмотря на значительный прогресс в их разработке, традиционные устройства на основе КМОП по-прежнему страдают от недостатков, таких как большие непреднамеренные токи утечки и нестабильное поведение. Таким образом, реконфигурируемые логические элементы на основе магнитных доменов (МД) оказались весьма многообещающим вариантом, поскольку они обеспечивают высокую скорость работы, энергонезависимость и разнообразные логические функции в конфигурации одного устройства. Здесь мы обращаемся к нескольким реконфигурируемым логическим элементам MD в одном двухканальном устройстве с полосой Холла, изменяя направления тока чтения, управляемого напряжением, и выбирая неинвертирующий или инвертирующий компаратор в стеках W/CoFeB/MgO/Ta. Поведение энергонезависимого переключения MD, вызванное спин-орбитальным моментом, существенно влияет на функции наших логических вентилей, которые не обязательно синхронизированы с одним тактовым сигналом. Адаптировав MD-переключение с помощью спин-орбитального крутящего момента и аномального напряжения на эффекте Холла, мы определили восемь реконфигурируемых логических элементов, включая AND, NAND, NOR, OR, INH, Converse INH, Converse IMP и IMP, в одном устройстве. Эти экспериментальные результаты представляют собой значительный шаг вперед в широком спектре логических приложений на основе МД в ближайшем будущем.

Спиновые устройства, основанные на манипулировании степенью свободы спина в магнитных системах, представляют значительный интерес как один из наиболее надежных вариантов, обеспечивающих многочисленные преимущества, такие как высокая динамическая скорость, малый ток утечки, термическая стабильность и энергонезависимая память. , по сравнению с обычными комплементарными металлооксидными полупроводниками на основе кремния (КМОП)1. Среди наиболее известных спиновых устройств — магнитная память произвольного доступа со спин-орбитальным моментом (SOT-MRAM), которая обеспечивает относительно высокую скорость движения, низкое энергопотребление и долговечность2. Таким образом, в последние годы спин-орбитальный крутящий момент (SOT), индуцируемый различными тяжелыми металлами (HM), такими как Ta и W, под напряжением, приобрел значение в качестве многообещающей альтернативы для спиновых устройств следующего поколения3,4,5,6,7 .

Чтобы обеспечить такие обещания, несколько устройств спинтроники, основанных на эффекте СОТ, представляют собой спиновые сумматоры-вычитатели, нейроморфные устройства, включая полускирмионы, и логические устройства8,9,10,11,12. Взаимодействие Дзялошинского-Мория (DMI), важный эффект магнитной поверхностной связи, имеет решающее значение в устройствах спиновой логики, использующих эффект SOT и движение доменных стенок13,14,15,16,17,18. ДМИ возникает в результате спин-орбитального взаимодействия на границе между магнитным слоем и немагнитным слоем тяжелого металла, что приводит к киральному магнетизму и образованию уникальных спиновых текстур, таких как скирмионы19. Киральная спиновая структура использовалась для логических операций, основанных на хирально связанных наномагнитах или движении доменных стенок посредством переключения киральности20. Эти результаты подчеркивают важность учета DMI при проектировании и реализации устройств спиновой логики20.

В частности, ожидается, что реконфигурируемые логические устройства на основе SOT обеспечат решения для сверхмаломощных, высокоскоростных, высокоплотных и энергонезависимых систем. Эти устройства также могут выполнять несколько логических операций в одном корпусе устройства, повышая их эффективность по сравнению с обычными логическими устройствами21,22,23,24,25,26,27,28,29. Например, многочисленные исследования реконфигурируемых логических устройств на основе спина также сообщили об успешных логических операциях с использованием динамики скирмионов, магнитных туннельных переходов и вихревых доменных стенок на основе киральности30,31,32,33,34.

Среди различных подходов к созданию логических устройств с реконфигурацией спина значительный интерес также вызвали те, которые используют переключение магнитных доменов (MD), индуцированных током, в качестве основных строительных блоков для развертывания продвинутых логических компонентов21, 24. Экспериментальные демонстрации логических компонентов на основе стенок MD с использованием магнитного туннеля Сообщалось о переходах35, 36. Недавно исследователи исследовали характеристики реконфигурируемого логического элемента MD путем манипулирования выходными сигналами напряжения аномального эффекта Холла (AHE), сопряженными с эффектом SOT. Хотя о логических вентилях MD с напряжением AHE сообщалось ранее, они по-прежнему стремятся использовать практическую реализацию нескольких реконфигурируемых логических вентилей в конфигурации одного устройства и использовать преимущество энергонезависимого поведения22, 24, 25.