Tecnologia Científica

Um aºnico dispositivo de torque spin-a³rbita para detectar campos magnanãticos 3D
O dispositivo que eles projetaram, apresentado em um artigo publicado na Nature Electronics e inspirado em seus trabalhos anteriores, ébaseado em uma heteroestrutura Ta / CoFeB / MgO (ta¢ntalo / cobalto-ferro-boro / a³xido de magnanãsio).
Por ngrid Fadelli - 09/04/2021


Doma­nio paºblico

Sensores que podem detectar campos magnanãticos tem muitas aplicações potenciais, por exemplo, no desenvolvimento de dispositivos médicos sofisticados e sistemas de transporte. A maioria das abordagens para detectar campos magnanãticos 3D desenvolvidos atéagora, no entanto, requer vários sensores, o que os torna volumosos e difa­ceis de implementar em grande escala.

Com isso em mente, os pesquisadores do Laborata³rio de Dispositivos e Sistemas com Eficiaªncia Energanãtica em Nanoescala (NEEDS) da Universidade Huazhong de Ciência e Tecnologia na China decidiram desenvolver um aºnico dispositivo spin-a³rbita que pode detectar individualmente campos magnanãticos 3D. O dispositivo que eles projetaram, apresentado em um artigo publicado na Nature Electronics e inspirado em seus trabalhos anteriores, ébaseado em uma heteroestrutura Ta / CoFeB / MgO (ta¢ntalo / cobalto-ferro-boro / a³xido de magnanãsio).

"Um de nossos artigos anteriores, publicado no IEEE IEDM em 2018, relatou que o aumento das densidades de corrente de escrita pode reduzir gradualmente a coercividade de um a­ma£ atéchegar a zero", disse Long You, um dos pesquisadores que realizou o estudo, ao TechXplore. “Posteriormente, em dois artigos publicados na AEM e APL , propusemos que o campo atual e no plano tivesse uma regulação conta­nua na resistência AHE do dispositivo atravanãs do movimento da parede de doma­nio. Com base nesses trabalhos anteriores, partimos para detectar três campo magnético dimensional (3D) com dispositivos spin-orbit-torque (SOT). "

Uma abordagem comumente empregada para detectar campos magnanãticos 3D depende do uso de três sensores magnanãticos, com suas direções de detecção estrategicamente dispostas ao longo de três eixos de coordenadas (x, y e z). Alternativamente, alguns pesquisadores empregaram os chamados sensores planares com um guia de fluxo magnético acoplado a eles.

Em seu trabalho, You e seus colegas exploraram a possibilidade de detectar um campo magnético vetorial usando um aºnico dispositivo de torque spin-a³rbita. A heteroestrutura Ta / CoFeB / MgO que eles projetaram consegue isso por meio do deslocamento das paredes de doma­nio na camada CoFeB, o que permite a modulação do que éconhecido como resistência do efeito Hall ana´malo.

"De acordo com os diferentes caracteres simanãtricos da dina¢mica ou comutação de magnetização de condução dependente da polaridade da corrente, separamos as contribuições dos campos no plano (IP) e fora do plano (OOP) e implementamos uma detecção de campo magnético 3D usando um manãtodo simples ", vocêdisse. "Primeiro estabelecemos a relação entre a resistência AHE e H x , H y , H z com base nos caracteres de simetria das curvas RH aplicando correntes positivas e negativas."
 
Um campo magnético vetorial éfeito de dois componentes de campo IP (ou seja, H x ou H y ) e um componente de campo OOP (H z ). Esses três elementos podem levar a diferentes movimentos de parede de doma­nio (DW) na camada CoFeB quando correntes positivas e negativas são aplicadas utilizando um torque de rotação-a³rbita (SOT), o que em última análise leva a  modulação da resistência AHE associada.

Vocaª e seus colegas derivaram as relações entre a resistência AHE medida e os três componentes ortogonais do campo magnético vetorial. Suas análises mostraram que, em certos intervalos, essas relações são lineares. Posteriormente, eles usaram os diferentes caracteres simanãtricos de movimentos DW dependentes de corrente / polaridade para separar as contribuições dos campos IP e OOP. Em última análise, isso permitiu que eles obtivessem detecção de campo magnético 3D usando um aºnico dispositivo SOT.

O dispositivo de detecção desenvolvido por You e seu colega tem uma faixa linear entre −10 e +10 Oe para o campo IP e entre −4 e +4 Oe para o campo OOP. Com base nos caracteres de simetria das curvas RH sob correntes positivas e negativas, os pesquisadores foram capazes de coletar dois valores de resistência AHE sob densidades de corrente positiva e negativa no eixo x, que eles chamaram de R xy (+ J x ) e R xy (- J x ). "

"Se esses dois valores de resistência AHE forem processados ​​com uma operação de subtração, permitindo a eliminação da contribuição de H z , a resistência la­quida contribua­da por apenas o componente H x pode ser obtida", vocêexplicou. "Se os dois valores são processados ​​com uma operação de adição, a resistência la­quida contribua­da por apenas o componente H z pode ser obtida. Da mesma forma, podemos obter a resistência la­quida contribua­da por apenas o componente H y aplicando ± J y . Consequentemente, pode-se saber a magnitude e a direção do campo magnético vetorial compondo (H x , H y , H z ). "

Vocaª e seus colegas mostraram que existe uma correlação entre um deslocamento linear DW e o campo magnético que seu dispositivo mede sob uma corrente constante assistida. Este fena´meno especa­fico, que raramente foi investigado no passado, desempenhou um papel fundamental na realização de um aºnico sensor magnético vetorial 3D.

"Nosso dispositivo separa fisicamente as contribuições de seus três componentes para alcana§ar a detecção de um aºnico dispositivo do campo magnético vetorial, portanto, o fato de os três componentes do campo magnético medidos não serem ortogonais ou não estarem na mesma posição espacial não prejudica seu desempenho " Vocaª disse. "Atéonde sabemos, éa primeira vez que alguém realiza um sensor magnético vetorial 3D usando um aºnico dispositivo, o que tem sido um desafio enfrentado tanto no ambiente acadêmico quanto na indústria eletra´nica."

A estrutura simples e o design inovador proposto por vocêe seus colegas podem ter muitas aplicações interessantes. Com as tecnologias de transistores convencionais se aproximando de seus limites fa­sicos, novas tecnologias como o dispositivo desenvolvido por esses pesquisadores podem ser de grande valia, pois podem abrir novas possibilidades para o desenvolvimento de dispositivos mais rápidos e de melhor desempenho.

"Esfora§os tremendos foram dedicados neste campo, o que permitiu integrações de sensores, MEMS, optoeletra´nica, RF e dispositivos de onda mm", disse vocaª. "Nosso sensor 3D proposto com base na tecnologia spintra´nica pode ser facilmente integrado ao chip baseado em Si, em comparação com abordagens convencionais que utilizam três ou mais dispositivos."

O estudo pode informar o desenvolvimento de novos dispositivos spintra´nicos e circuitos integrados. Além disso, o sensor de campo magnético 3D que eles criaram pode ter uma ampla gama de aplicações, por exemplo, permitindo a criação de novos dispositivos IoT e GPS.

"No futuro, vamos substituir as estruturas de heteroestrutura AHE por estruturas MTJ", disse vocaª. "Além disso, estamos projetando e construindo um sistema de circuito perifanãrico e projetando um algoritmo adequado para que nosso dispositivo possa ser usado em aplicações prática s, como em navegação e posicionamento ou em tecnologia de integração heterogaªnea e redes neurais."

 

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