Передача спинового момента

Передача спинового момента (STT)^[1] — это эффект, при котором ориентация магнитного слоя в магнитном туннельном переходе или спиновом клапане может управляться с помощью спин-поляризованноо тока.

Простая модель передачи спинового момента для двух противоположно намагниченных слоёв. Ток, вытекающий из неподвижного слоя, поляризован по спину. Когда он достигает свободного слоя, большинство спинов релаксируют в состояния с противоположной ориентации спина с более низкой энергией, при этом прилагая крутящий момент к свободному слою.

Принципиальная схема перехода спиновый клапан/магнитный туннельный переход. В спиновом клапане промежуточный слой (фиолетовый) — металлический; в магнитном туннельном переходе он сдалан из изолятора.

Носители заряда (такие как электроны) обладают свойством, известным как спин, который представляет собой небольшую величину собственного углового момента, присущего частице. Электрический ток обычно неполяризован (состоит на 50 % из электронов со спином вверх и на 50 % со спином вниз); спин-поляризованный ток — это ток с большим количеством электронов любого спина. Пропуская ток через толстый магнитный слой (обычно называемый «неподвижным слоем»), можно создать спин-поляризованный ток. Если этот спин-поляризованный ток направить во второй, более тонкий магнитный слой («свободный слой»), то угловой момент может быть передан этому слою, изменив его намагничеснность. Эффекты обычно наблюдаются только в устройствах нанометрового масштаба.

Память на основе эффекта передачи спинового момента

Эффект передачи спинового момента можно использовать для изменения намагниченности активных элементов в магнитной оперативной памяти. Магнитная память с произвольным доступом и передачей спинового момента (STT-RAM или STT-MRAM) представляет собой энергонезависимую память с почти нулевым энергопотреблением утечки, что является основным преимуществом по сравнению с памятью на основе электрических зарядов, такой как SRAM и DRAM. STT-RAM также имеет преимущества более низкого энергопотребления и лучшей масштабируемости, чем обычная магниторезистивная память с произвольным доступом (MRAM), которая использует магнитное поле для переворота намагниченности активных элементов^[2]. Технология передачи спинового момента потенциально может сделать возможными устройства MRAM, сочетающие низкие требования к току и сниженную стоимость; однако величина тока, необходимая для переориентации намагниченности, в настоящее время слишком велика для большинства коммерческих приложений, и одно только уменьшение этой плотности тока является основой современных исследований в области спиновой электроники (спинтроники)^[3].

Индустрия

В 1997 году исследовательский центр Sony опубликовал первую заявку на патент Японии на SPINOR (энергонезависимую ортогональную память чтения/записи со спин-поляризованной инжекцией), предшественника STT RAM^[4]. Впоследствии, на конференции IEDM^[англ.] 2005, исследователи Sony сообщили о первой работающей STT-памяти ёмкостью 4 КБ, получившей название Spin-RAM, с заменой парамагнитного промежуточного слоя памяти SPINOR на диэлектрик MgO^[5]. Компании Hynix Semiconductor и Grandis заключили партнерство в апреле 2008 года для изучения коммерческого развития технологии STT-RAM^[6][7]. Hitachi и Университет Тохоку продемонстрировали 32-Мбит STT-RAM в июне 2009 года^[8].

В 2011 году Qualcomm представила встроенную STT-MRAM на 1 Мбит, произведённую на 45-нм заводе TSMC на симпозиуме по СБИС^[9].
В 2012 году Everspin Technologies^[англ.] выпустила первый коммерчески доступный DIMM DDR3 SDRAM ST-MRAM ёмкостью 64 МБ^[10]. В июне 2019 года Everspin Technologies запустила опытное производство 28-нм чипов STT-MRAM объёмом 1 Гб^[11].
В декабре 2019 года Intel продемонстрировала STT-MRAM для кэша L4^[12].
В 2022 году TechInsights^[англ.] обнаружила встроенную память STT-MRAM ёмкостью 16 МБ в микроконтроллере фитнес-трекера Fitbit Luxe и в несколько других коммерчески доступных носимых продуктов^[13].

Другие компании, работающие над STT-RAM, включают Avalanche Technology, Crocus Technology^{[англ.][14]} и Spin Transfer Technologies^[15].

См. также

• Спинтроника