Data: 23/03/2010Local: Relatório preparado para a Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) da DIA, Washington, D.C., EUA
DIA, 2010: estudo do AAWSA sobre spintrônica metálica vê saída para o limite térmico dos chips e usos aeroespaciais
O DIRD de 23 de março de 2010 revisa a spintrônica em metais, com a magnetorresistência gigante e o torque de transferência de spin, e avalia memórias, osciladores e eletrônica resistente à radiação. Conclui que o campo ainda precisa de muito trabalho fundamental antes de aplicações comerciais.
- Data do evento
- 23/03/2010
- Local
- Relatório preparado para a Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) da DIA, Washington, D.C., EUA
- Tema
- História da investigação
- Órgãos das fontes
- DOW
- Documentos
- 1 documento · 27 páginas
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- 74 min
Figura técnicaPágina física 17FONTES DOCUMENTAIS · DOW
O que os registros contam
Este é um estudo técnico de física e de engenharia, não um relato de avistamento. O Documento de Referência de Inteligência de Defesa DIA-08-1003-011, "Spintrônica Metálica", tem data de 23 de março de 2010 e data de corte (ICOD) de 1º de dezembro de 2009. Foi preparado pela Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) do Escritório de Alerta de Defesa, na Diretoria de Análise da Agência de Inteligência de Defesa dos EUA (DIA), sob o título de série "Apoio à Aquisição e Ameaças". O autor aparece como "AAP Person 71", rótulo que substitui o nome na versão liberada.
O expediente diz que o texto é um dos relatórios de tecnologia avançada produzidos no ano fiscal de 2009 no âmbito do programa de Aplicações de Sistemas de Armas Aeroespaciais Avançados, o AAWSA. O próprio documento não explica por que a DIA o encomendou além de situá-lo nessa série. A motivação que ele apresenta é de engenharia: a miniaturização dos chips enfrenta o problema da dissipação de potência e, mantido o ritmo da lei de Moore, a densidade de transistores chegaria em 2035 a uma carga térmica que o texto compara à de um bocal de foguete. O texto não menciona UFOs, UAPs nem engenharia reversa.
A spintrônica, explica o estudo, usa o spin do elétron, além de sua carga, para carregar informação, e promete processamento mais rápido e menor consumo. O relatório se concentra nos metais e em dois fenômenos. A magnetorresistência gigante (GMR), cuja pesquisa recebeu o Nobel de Física de 2007, já está em produção nas cabeças de leitura de discos rígidos. O torque de transferência de spin (STT), previsto em 1996, é o efeito inverso: uma corrente intensa muda o estado magnético de uma multicamada. Os experimentos descritos usam contatos pontuais e nanopilares, com densidades de corrente da ordem de 10¹² A/m².
Entre as aplicações em estudo, o relatório descreve osciladores de micro-ondas controlados por corrente, de alguns a mais de 100 GHz, a memória MRAM escrita por STT e a memória "racetrack", em que os dados são codificados em paredes de domínio magnético movidas ao longo de um nanofio. Dedica uma seção à spintrônica com materiais antiferromagnéticos, em que as previsões teóricas ainda dependem de amostras perfeitas. Os experimentos relatados mostram que correntes altas alteram a fixação magnética, mas o único estudo de GMR antiferromagnética não encontrou o efeito.
A seção de conclusões liga o tema ao uso aeroespacial. Se os dispositivos spintrônicos metálicos amadurecerem, diz o estudo, poderiam formar eletrônica escalável e resistente à radiação, de interesse porque a radiação espacial danifica transistores convencionais, e uma memória que retém a informação sem energia seria útil em viagens espaciais longas. O horizonte é o de uma tecnologia ainda "em estado de relativa infância": os próprios autores afirmam que há "muito trabalho fundamental" antes de aplicações comerciais, e que outros fenômenos ainda podem surgir.
No conjunto do AAWSA, este DIRD pertence ao grupo de estudos que partem de física conhecida e de experimentos publicados, e não de conceitos de ruptura. Quase todas as afirmações vêm acompanhadas de referências, e o texto termina com 97 delas, de artigos de revistas científicas como Physical Review Letters, Nature e Science, de 1936 a 2009. As medições citadas são de outros pesquisadores, como Tsoi, Wei e Kiselev, e não do autor do relatório.
LEITURA DIRETA DO ARQUIVO
O documento, em português
Todas as 27 páginas do documento foram traduzidas na íntegra, em blocos de uma página, incluindo capa, expediente, sumário, figuras, a Equação 1 (reproduzida na notação original) e a lista de 97 referências. Nas referências (páginas 23 a 27), foram mantidos autores, revistas, volumes e anos; os títulos de obras em inglês aparecem como "[referências bibliográficas no original]". Os rótulos de figuras aparecem entre colchetes.
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Documento de Referência de Inteligência de Defesa
Apoio à Aquisição e Ameaças
23 de março de 2010
ICOD: 1º de dezembro de 2009
DIA-08-1003-011
Spintrônica Metálica
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)Nota editorial: Capa do estudo de 23 de março de 2010 sobre spintrônica metálica.
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UNCLASSIFIED/ /fi8rt 8fifil@ltltl tJ!f! 8HL1/
Defense
Intelligence
Reference
Document
Acquisition Threat Support
23 March 2010
ICOD: 1 December 2009
DIA-08- 1003-011
Metallic Spintronics
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converte uma entrada de tensão de corrente contínua (cc) em uma saída de tensão de corrente alternada (ca). A frequência dessa precessão pode ser ajustada de alguns gigahertz (GHz) a mais de 100 GHz variando o campo magnético aplicado e/ou a corrente cc, o que resulta, na prática, em um oscilador controlado por corrente para uso em circuitos práticos de micro-ondas.
Desde que foi previsto, em 1996, o efeito STT foi observado em vários experimentos, incluindo os que usam contatos pontuais mecânicos (Referências 5, 9, 40) e litográficos (Referências 6, 41), junções de manganita (Referência 7), nanofios crescidos eletroquimicamente (Referência 8), nanopilares definidos litograficamente (Referências 42, 43), junções de tunelamento (Referência 44) e estruturas semicondutoras (Referência 45). Esses diferentes métodos têm em comum uma característica: tornam possível atingir as densidades de corrente extremamente altas (> 10¹² A/m² para estruturas metálicas) necessárias para produzir torques de transferência de spin suficientemente grandes (Referências 3, 4). Isso se consegue forçando a corrente elétrica a passar por uma constrição muito pequena. Esta pode ser um contato pontual mecânico, um contato pontual ou nanopilar definido litograficamente, ou um nanofio, como ilustra a Figura 4. Em todos os casos, a densidade máxima de corrente j_máx = I/A é definida pela corrente I que flui pelo dispositivo e pela menor área de seção transversal A do caminho da corrente. Em contatos pontuais mecânicos típicos, I ≈ 1 mA e A ≈ 100 nm² dão j_máx ≈ 10¹³ A/m². Em estruturas definidas litograficamente, tanto I quanto A costumam ser maiores, I ≈ 10 mA e A ≈ 10.000 nm², o que dá j_máx ≈ 10¹² A/m².
[Figura 4: cinco esquemas, rotulados "junções de tricamada de manganita", "nanofios eletrodepositados", "dispositivos de pilar litográficos", "contatos pontuais mecânicos" e "contatos pontuais litográficos", com setas de elétrons (e⁻).]
Figura 4. Esquemas dos dispositivos dos experimentos de STT. Todos os experimentos têm em comum uma característica: uma pequena constrição para a corrente elétrica, isto é, contato pontual, junção, nanofio ou nanopilar. Preto (cinza) indica isolante; azul-escuro indica material magnético.
O mecanismo físico básico do STT baseia-se na conservação do momento angular. Considere um caso pedagogicamente simples em que um elétron de condução atravessa uma interface entre um metal não magnético (N) e um ferromagneto (F). Supomos que o estado inicial do spin S do elétron em N não seja colinear com a magnetização M de F. Ao entrar em F, S fica sujeito a um torque de troca causado por M, que tende a reorientar S. Com isso, segundo a Terceira Lei de Newton, deve existir também um torque de reação que atua sobre M: o torque STT. Bem dentro de F, S está alinhado com M, e a variação de momento angular decorrente de sua reorientação foi transferida para M. Daí o nome do fenômeno: torque de transferência de spin. É claro que o torque aplicado a M por um único spin S é desprezivelmente pequeno, porque S é desprezivelmente pequeno em comparação com M. Para uma alta densidade de corrente atravessando a interface N/F, porém, o número de tais spins pode ser muito grande e o S efetivo resultante pode tornar-se comparável a M. Isso evidencia a necessidade de altas densidades de corrente para observar o fenômeno do STT.
Um experimento típico de excitação de um ferromagneto por corrente geralmente envolve dois ímãs de filme fino de domínio único separados por um espaçador não magnético. Aqui um ímã
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5Nota editorial: Experimentos de STT em várias nanoestruturas (Figura 4) e explicação do torque pela conservação do momento angular.
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UNCLASSIFIED/ /fOft Offl@IAL ~SE 8,.L?f
converts a direct current (de) voltage input into an alternating current (ac) voltage
output. The frequency of such a precession can be tuned from a few gigahertz (GHz) to
> 100 GHz by changing the applied magnetic field and/or de current, effectively
result ing in a current-controlled oscillator for use in practical microwave circuits.
Since its prediction in 1996, the STT effect has been observed in a number of
experiments, including those with mechanical (Reference 5, 9, 40) and lithographic
point contacts (Reference 6, 41), manganite junctions (Reference 7), electrochemically
grown nanowires (Reference 8), lithographically defined nanopillars (Reference 42, 43),
tunnel junctions (Reference 44), and semiconductor structures (Reference 45). These
different methods all share one characteristic feature: they make it possible to attain
extremely high current densities (>10 12 A/m 2 for metallic structures) needed to produce
sufficiently large spin-transfer torques (Reference 3, 4 ). This is achieved by forcing the
electrical current to flow through a very small constriction. The latter can be a
mechanical point contact, a lithographically defined point contact or nanopillar, or a
nanowire, as illustrated in Figure 4. I n all cases, the maximum current density jmax =
I/A is defined by the current I flowing through the device and the minimum cross
sectional area A of the current path. For typical mechanical point contacts, I ~1 mA and
A ~100 nm2 gives jmax ~10 13 A/m 2 . In lithographically defined structures, both I and A
are typically larger, I ~10 mA and A ~10000 nm that gives jmax ~10 A/m
2 12 2
, .
manganite electrodeposited IIthog raphycalmechanical lithographycal
trilayer junctions nanowires pillar devices point contacts point contacts
e-
Figure 4. Device Schematics for STT Experiments. All experiments share one common feature: a small
constriction for electrical current-tha t Is, point contact, junction, nanowire, or nanopillar . Black (grey) Indicates
insulator; dark blue indicates magnetic material.
The basic physical mechanism underlying STT relies on conservation of angular
momentum. Consider a pedagogically simple case where a conduction electron crosses
an interface between a nonmagnetic metal (N) and a ferromagnet (F). We assume the
initial state of the electron's spin S in N is noncollinear to the F's magnetization M. Once
into F, S is subject to an exchange torque caused by M that tends to reorient S.
Therewith, according to Newton 's Third Law, there should also exist a reaction torque
that acts on M - STT torque. Deep into F, S is aligned with M, and the change in
angular momentum that occurs from its reorientation has been transferred to M. Hence
the phenomenon's name: spin -transfer torque. Of course, the torque applied to M by a
single-sp in S is negligibly small owing to S being negligibly small compared with M. For
high current density crossing the N/F interface, however, the number of such spins can
be very large and the resulting effective S might become comparable to M. This
highlights the need for high current densities to observe the STT phenomenon .
A typical experiment on current-driven excitation of a ferromagnet usually involves two
single-domain thin -film magnets separated by a nonmagnetic spacer. Here one magnet
UNCLASSIFIED/ ,CFOA QFFIGIAk W&& 0PtLY
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TRECHO 3 · PÁGINA FÍSICA 11
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(Fa) é "duro" e usado para polarizar a corrente, enquanto o espaçador (N) é fino o bastante para que a corrente polarizada passe e excite o segundo ímã, "livre" (Fb). Essa estrutura de tricamada Fa/N/Fb é semelhante a uma válvula de spin de GMR. O efeito GMR pode, assim, ser usado para monitorar a orientação de Fb em relação a Fa: a GMR varia linearmente com cos θ, em que θ é o ângulo entre os momentos magnéticos de Fa e Fb, e uma descrição fenomenológica (Referência 46) dá a resistência da tricamada R(θ) = R_F + (R_AF − R_F)(1 − cos θ)/2. Quando a corrente flui através de Fa/N/Fb, os torques induzidos pela corrente atuam sobre ambas as camadas, Fa e Fb (Referências 3, 47). Isso é ilustrado esquematicamente na Figura 5. Essa imagem qualitativa do STT supõe que as camadas Fa e Fb sejam filtros de spin perfeitos, de modo que os spins de elétrons alinhados com o momento magnético, por exemplo, da camada Fa são completamente transmitidos pela camada, enquanto os spins alinhados de forma antiparalela ao momento da camada são completamente refletidos. Quando a corrente de elétrons atravessa a tricamada Fb/N/Fa da direita para a esquerda (Figura 5a), os elétrons transmitidos por Fa ficam polarizados ao longo de Fa. Se o comprimento de difusão de spin em N for longo o bastante, essa corrente polarizada em spin chegará a Fb e exercerá sobre ele um torque na direção que alinha Fb com Fa. Repetindo o argumento para Fb, vemos que os elétrons refletidos por Fb ficarão polarizados de forma antiparalela a Fb e, assim, exercerão por sua vez um torque sobre Fa, tentando alinhar Fa de forma antiparalela com Fb. O resultado líquido é um movimento do tipo cata-vento, com Fa e Fb girando no mesmo sentido (horário na Figura 5a), como descrito antes por Slonczewski (Referência 3). Quando a corrente atravessa a tricamada da esquerda para a direita, as direções dos torques se invertem (Figura 5b): o torque sobre Fa tenta alinhar Fa de forma paralela com Fb, enquanto o torque sobre Fb tenta alinhar Fb de forma antiparalela com Fa.
[Figura 5: dois esquemas, (a) e (b), com as camadas Fb, N e Fa e a indicação "Corrente de elétrons".]
Figura 5. Imagem qualitativa do STT. (a) Para elétrons que vão para a esquerda, os momentos magnéticos (setas finas) de Fa e Fb giram no sentido horário. (b) Para elétrons que vão para a direita, as direções dos torques (setas grossas) sobre Fa e Fb se invertem. (Referência 47)
A discussão acima implica a assimetria do STT em relação ao sentido da corrente, como segue. Fixemos a orientação do polarizador Fa; nos experimentos isso costuma ser feito tornando Fa muito espesso (em comparação com Fb) ou fixando sua orientação com uma camada antiferromagnética adjacente, por meio do fenômeno da polarização de troca. Se inicialmente Fb estiver quase paralelo a Fa, os elétrons que vão para a esquerda estabilizarão esse alinhamento paralelo e não haverá excitação por STT. Quando a polarização de corrente é invertida, o torque sobre Fb tentará girar Fb para longe de Fa e resultará em excitação do sistema por STT. Essa assimetria em relação à polaridade da corrente é uma das principais características do STT nos experimentos; ver, por exemplo, a Figura 5, em que as excitações por STT aparecem apenas em polarização negativa.
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6Nota editorial: Estrutura de válvula de spin de três camadas e assimetria do torque conforme o sentido da corrente (Figura 5).
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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFIElIAk WSE OPtkY
(Fa) is "hard" and used to polarize the current, while the spacer (N) is thin enough for
the polarized current to get through and excite the second "free" magnet (Fb), This
Fa/N/F b trllayer structure is similar to a GMR spin valve . The GMR effect can thus be
used to monitor the orientation of Fb relati ve to Fa - GMR varies linearly with cose,
where e is angle between magnetic moments of Fa and Fb, and a phenomenological
description (Reference 46) gives the trilayer resistance R(0) = RF+ (RAF- RF) (1 -
cos0)/2. When current flows across Fa/N/F b, t he current-induced torques act on both Fa
and Fb layers (Reference 3, 47). This is schematica lly illustrated in Figure 5. This
qualitative picture of STT .assumes both Fa and Fb layers are perfect spin filters, so that
electron spins aligned with the magnetic moment of, for example, Fa layer are
completely transmitted through the layer, while spins aligned antiparallel to the layer
moment are completely reflected. When electron curre nt crosses the Fb/N/F atrilayer
from right to left (Figure Sa), electrons transmitted t hrough Fa will be polarized along
Fa. If spin-diffusion length in N is long enough, this spin-polarized curre nt will reach Fb
and exert a torque on Fb in a direction so as to align Fb with Fa. Repeating the argument
for Fb, we find that electrons reflected from Fb will be polarized antiparallel to Fb and,
hence, in turn exert a torque on Fa trying to align Fa antiparallel with Fb. The net result
is a pinwheel-type motion with both Fa and Fb rotating in the same direction (clockwise
in Figure Sa), as described previously by Slonczewski (Reference 3). When the current
crosses the trilayer from left to right, the directions of the torques are reversed (Figure
Sb)- the torque on Fa is trying to align Fa parallel with Fb, while the torque on Fb is
trying to align Fb antiparallel with Fa .
Fb N Fa F N
r
-¢
V¢-
¢ (b)
Electron Current Electron Current
Figure 5. Qualitative Picture of STT. (a) For left- going electrons magnetic moments (th in arrows) of both Fa and
Fb are rotated clockwise. (b) For right -going electrons the directions of the torques (thick arrows) on Fa and Fb are
reversed. (Reference 47)
The above discussion impli es the asymmetry of STT with respect to current direction as
follows. Let's fix the orientat ion of the polarizer Fa; in experime nts this is usually
accomplished by making Fa very thick (compared wit h Fb) or by pinning its orientation
with an adjacent antiferromagnetic layer via the phenomeno n of exchange bias. If
initially Fb is almost parallel with Fa, t he left -going electrons will stabilize this parallel
alignment, and no STT excitation is present. When current bias is reversed , the torque
on Fb will try to rotate Fb away from Fa and will result in STT excitation of the system.
This asymmetry with respect to current polarity is one of the main feat ures of STT in
experiments; see, for insta nce, Figure 5, where STT excitatio ns are present only at
negative bias.
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3.2 EXPERIMENTOS DE STT
A Seção 3.1 apresentou a física do STT em nanossistemas magnéticos. Vimos que uma corrente elétrica de alta densidade pode resultar em torques sobre os elementos magnéticos do sistema. Esses torques podem ser usados para controlar e manipular o estado magnético do sistema. No entanto, o comportamento resultante do sistema pode diferir de modo significativo de um caso a outro, conforme as condições particulares de observação. Por exemplo, em campos magnéticos externos modestos, a magnetização de um elemento pequeno pode ser invertida repetidamente entre duas configurações estáveis, enquanto em campos mais altos, em que a inversão é energeticamente desfavorável, o momento pode entrar em precessão a uma frequência muito alta. Para entender os detalhes do que acontece com um momento magnético S numa situação particular, pode-se usar a Segunda Lei de Newton.
Para S, essa seria a equação de Landau-Lifshitz-Gilbert, em que a taxa de variação de S é igualada ao torque líquido que atua sobre S:
Equação 1:
dS/dt = γ S × B_eff − (α/|S|) S × dS/dt + η I (μ_B/e) ŝ × (ŝ* × ŝ)
Aqui o primeiro termo à direita é o torque sobre um momento magnético S em um campo magnético efetivo B_eff (incluindo os campos aplicado, desmagnetizante, de anisotropia e outros), sendo γ a razão giromagnética; o segundo termo é um termo de amortecimento fenomenológico introduzido por Gilbert, sendo α o parâmetro de amortecimento de Gilbert; o terceiro termo é o STT, em que ŝ e ŝ* (minúsculos) são vetores unitários ao longo de S e do polarizador S*, I é a corrente, μ_B é o magnéton de Bohr, e é a carga do elétron e η é o fator de polarização de spin.
O diagrama da Figura 6 mostra as direções dos três torques da Equação 1. Note que, conforme a polaridade da corrente aplicada, o torque STT pode ter o mesmo sentido do torque de amortecimento ou o sentido oposto. No primeiro caso, o STT resultará, na prática, em um amortecimento maior para qualquer intensidade da corrente aplicada e suprimirá qualquer possível excitação de S a partir de seu estado de equilíbrio ao longo de B_eff. Se, porém, o torque STT for oposto ao amortecimento, podemos distinguir duas situações. Para correntes abaixo de uma corrente crítica, em que o STT é pequeno em comparação com o amortecimento, S descreve uma espiral em direção a B_eff (trajetória vermelha na Figura 6). Para
[Figura 6: diagrama vetorial com B_eff apontando para cima, o vetor S inclinado, e os três torques rotulados "STT", "Amortecimento" (Damping) e "γ S × B_eff", com trajetórias em espiral.]
Figura 6. Torques sobre um momento magnético em um campo magnético e sujeito a uma corrente elétrica.
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7Nota editorial: Experimentos de STT: a equação de Landau-Lifshitz-Gilbert (Equação 1) e o esquema dos três torques (Figura 6).
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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFl@IAL ~81: 8HLY
3.2 STT EXPERIMENTS
Section 3.1 introduced the physics of STT in magnetic nanosystems. We have seen that
a high-density electrical current can result in torques on magnetic elements of the
system . These torques may be used to control and manipulate the system's magnetic
state . However, the resulting behavior of the system can differ significantly from case
to case, depending on particular conditions of observation. For instance, in modest
external magnetic fields, magnetization of a small element can be repeatedly reversed
between two stable configurations, while at higher fields, where the reversal is
energet ically unfavorable, the moment can be set into precession at a very high...
frequency . To understand details of what happens with a magnetic moment S in a
particular situation, one can use Newton's Second Law.
... ...
For S this would be the Landau-Lifshitz-Gilbert equation, where the rate of change of S...
is set equal to the net torque acting on S :
Equation 1:
Here the first term on the right is the...
torque on a magnetic moment S in an
~
effect ive magnetic field B eff, (including
applied, demagneti zing, anisotropy, and
other fields), with y the gyromagnetic STT
• •
ratio; the second term is a
phenomenological damping term
introduced by Gilbert, with a. the Gilbert
damping parameter; ~e thir~ term is
the SST where small s· and * are unit Damping
vectors along and the polarizer ' *, I
is the current, µs is the Bohr magneton,
e is the electron charge, and 11 is the
spin-polarization factor.
The diagram in Figure 6 shows the
directions of the three torques from
Equation 1. Note that, depending on the
polarity of applied current, the STT Figure 6. liorques on a Magnetic Moment in a
torque can be either in the same or Magnetic Field and Subject to an Electrical Current
opposite direction as the damping
torque . In the former case, STT will effectively result in an increased damp~ng for any
magnitude of the applie~ current and suppress any possible excitations of from its
equilibrium state along B eff. If, however, the STT torque is opposite to the damping,
we can distinguish two situations . For currents below a critical current, where STT is... ~
small compared with damping, S spirals toward B eff (red traj ectory in Figure 6). For
UNCLASSIFIED/ /&Olil OfifilCI\L: Wii OPIL:¥
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correntes maiores que a corrente crítica, o STT supera o torque de amortecimento e faz S descrever uma espiral que se afasta de B_eff, com ângulo de precessão em aumento contínuo. O resultado final pode ser uma precessão estável em regime permanente de S em torno de B_eff (trajetória preta na Figura 6) ou a reversão magnética de S para um estado antiparalelo a B_eff, conforme a dependência angular dos torques de STT e de amortecimento.
Quase todas as observações experimentais de STT se baseiam no fenômeno da GMR para detectar a reorientação, induzida por corrente, dos momentos magnéticos em nanodispositivos. As medições típicas incluem (1) medir a resistência estática do dispositivo R = V/I em função da corrente de polarização cc I aplicada, em um campo magnético B aplicado, e (2) medir R em função de B com I constante. A Figura 3 mostra como a resistência diferencial dV/dI de um contato pontual de Cu com uma multicamada magnética de Co/Cu varia com a tensão de polarização V (equivalente a I) aplicada através do contato. Aqui os momentos magnéticos da multicamada são saturados para fora do plano das camadas por um campo magnético externo suficientemente grande (B ≥ 2 T). O início da precessão magnética movida por STT é revelado por um pico na resistência diferencial do contato. O pico em dV/dI indica que a transição para a precessão é um processo reversível e que, em uma pequena faixa de correntes, é possível aumentar ou diminuir continuamente o ângulo de precessão. No entanto, outros cenários também são possíveis, por exemplo transições rápidas entre estados estáticos e de precessão em regime permanente, com tempo de permanência dependente da corrente.
Se o campo magnético aplicado for pequeno, o sistema magnético pode ter mais de um estado de baixa energia. No caso simples de um elemento magnético com anisotropia uniaxial, o STT pode desencadear uma transição entre dois estados estáticos energeticamente favoráveis. Um exemplo desse comportamento é mostrado na Figura 7. Aqui a corrente é conduzida através de uma estrutura de válvula de spin de tricamada Py20nm/Cu12nm/Py4,5nm, modelada por litografia de feixe de elétrons em um nanopilar com área de seção transversal de 40 × 120 nm² (Referência 48). A resistência diferencial do nanopilar exibe uma histerese em função de uma corrente de polarização aplicada, à medida que a magnetização da camada fina (livre) de permalloy (Py) é alinhada paralela e antiparalelamente à camada espessa (dura) de Py pela corrente.
[Figura 7: gráfico da resistência diferencial em função da corrente I (mA), de −0,4 a 0,4, com curva de histerese.]
Figura 7. Comutação magnética movida por torque de spin em uma válvula de spin Py20nm/Cu12nm/Py4,5nm com área de seção transversal de 40 × 120 nm², à medida que a magnetização da camada magnética fina (livre) é alinhada paralela e antiparalelamente à camada magnética mais espessa por uma corrente aplicada. (Referência 48)
Os dois exemplos apresentados acima (Figuras 3 e 7) demonstram como simples medições de resistência cc podem ser usadas para observar o STT. Aqui a resistência medida de um dispositivo fornece informação indireta sobre a orientação relativa dos elementos magnéticos do dispositivo. No entanto, as correntes críticas medidas, destacadas por variações bruscas da resistência, continuam a ser a única informação experimental que pode ser usada para comparar quantitativamente teoria e experimento. Além disso, as medições cc da Figura 3 não fornecem informação sobre a evolução rápida da magnetização no dispositivo
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8Nota editorial: Como o STT é detectado (GMR), comutação magnética com histerese em nanopilar (Figura 7).
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--
UNCLASSIFIED/ /fOlt Offl@IAL ~91! OHL¥
currents larger than the critical current, STT exceeds the damping torque and causes __.
to spiral away from B eff, with a steadily increasing precession angle. The ultimate... __.
result can be either stable steady-state precession of S around B eff (black trajectory in
... -Figure 6) or magnetic reversal of S into a state anti parallel to B eff, depending on the
angular dependence of STT and damping torques.
Almost all experimental observations of STT rely on the GMR phenomenon to detect the
current-induced reorientation of magnetic moments in nanodevices. Typical
measurements include (1) measuring static device resistance R=V/I as a function of __. __.
applied de bias current I in an applied magnetic field B and (2) measuring R versus B
at a constant I. Figure 3 shows how the differential resistance dV/dl of a Cu point
contact to Co/Cu magnetic multilayer varies with the bias voltage V (equivalent to I)
applied across the contact. Here the multilayer magnetic moments are saturated out of
the plane of the layers by a sufficiently large externa l magnetic field (B ;:: 2T). The
onset of STT-driven magnetic precession is revealed by a peak in differential resistance
of the contact. The peak in dV/dl indicates the transition into precession is a reversible
process, and in a small range of currents, one can continuously increase or decrease
the angle of precession. However, other scenarios are also possible- for example, fast
transitions between static and steady -state precession states with current -dependent
dwell time.
If the applied magnetic field is small, the
magnetic system can have more than one •
low-energy state. In the simple case of a 6 a.2
magnetic element with uniaxial
anisotropy, STT can trigger a transition -=a 8.1between two static states that are
energetically favorable. An example of > .such behavior is shown in Figure 7. Here u 8.0 •-the current is driven across a trilayer
Py20nm/Cu12nm/Py4.Snm spin-valve -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4
structure patterned by electron beam I (mA.)lithography into a nanopillar with a 40 x Figure 7. Spin-torque-driven magnetic switching
120 nm2 cross-sectional area (Reference for a Py20nm/Cu12nm/Py4.5nm spin valve with a
40x120-nm 2 cross-sectional area, as the48). The differential resistance of the magnetization of the thin (free) magnetic layer is nanopillar exhibits a hysteresis as a aligned parallel and antiparallel to the thicker
function of an applied bias current as the magnetic layer by an applied current. (Reference
magnetization of the thin (free) permalloy 48)
(Py) layer is aligned parallel and
antiparallel to the thick (hard) Py layer by the current.
The two examples presented above (Figures 3 and 7) demonstrate how simple de
resistance measurements can be used for STT observation. Here the measured
resistance of a device provides indirect information about the relative orientation of
magnetic elements in the device. However, measured critical currents highlighted by
sharp variations in the resistance remain the only experimental information that can be
used to quantitatively compare theory and experiment. Moreover, the de measurements
in Figure 3 provide no information about fast evolution of magnetization in the device
8
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associada à precessão de alta frequência dos momentos magnéticos. Para obter essa capacidade é preciso empregar técnicas de alta frequência, como discutido a seguir.
O primeiro experimento a fornecer evidência inequívoca de que uma corrente elétrica cc pode resultar em precessão de alta frequência (dezenas de GHz) de momentos magnéticos foi relatado por Tsoi et al. (Referência 9). Aqui um dispositivo de STT, um contato pontual, foi colocado na cavidade de micro-ondas de um espectrômetro de ressonância de spin eletrônico (ESR) de alta frequência e alto campo. Esse arranjo permitiu realizar experimentos de transporte cc, como os descritos acima, enquanto o contato era irradiado com micro-ondas de alta frequência. Quando a frequência das micro-ondas externas coincidia com a frequência de precessão excitada pela corrente cc, detectava-se uma tensão adicional (retificada) através do contato. Detectando essa tensão enquanto variavam a frequência externa, o campo e a corrente aplicada, Tsoi et al. (Referência 9) conseguiram mapear a frequência excitada pela corrente cc em função do campo e da corrente aplicados. Em um experimento mais recente, Rippard et al. (Referência 49) alimentaram um contato pontual com micro-ondas por meio de terminais elétricos e relataram a observação de uma resposta cc semelhante.
Por fim, a dinâmica de alta frequência da magnetização da camada livre pode ser medida diretamente detectando oscilações de alta frequência na tensão através de uma válvula de spin sob corrente cc. Aqui a camada magnética dura é fixa, enquanto a camada livre exibe uma precessão de alta frequência em relação à camada dura. A GMR resulta em uma modulação de alta frequência da resistência da válvula de spin, o que por sua vez leva a uma componente de alta frequência da tensão através da válvula de spin percorrida por uma corrente cc. Essa tensão pode ser sondada diretamente com um analisador de espectro de alta frequência, como foi feito recentemente por Kiselev et al. (Referência 50) e por Rippard et al. (Referência 41). Além disso, as oscilações de tensão devidas à precessão magnética movida por torque de spin podem ser medidas diretamente no domínio do tempo com um osciloscópio de amostragem (Referência 51), como ilustrado na Figura 8.
[Figura 8: gráfico da tensão (eixo de −100 a 100) em função do tempo (0 a 10 ns), com oscilação.]
Figura 8. Tensão oscilatória gerada pelo movimento de precessão do ímã livre em um nanopilar IrMn8nm/NiFe4nm/Cu8nm/NiFe4nm, em resposta a um degrau de tensão cc de 335 mV aplicado ao dispositivo em B = 630 oersteds (Referência 51)
Os exemplos acima ilustram como a instrumentação de banda larga para medir tensão em dispositivos de GMR pode fornecer informação importante, e muitas vezes única, sobre a dinâmica magnética de alta frequência movida por torques de transferência de spin. No entanto, o entendimento detalhado do STT ainda é objeto de debate e exige novas técnicas experimentais capazes de sondar a dinâmica da magnetização em escalas de comprimento nanométricas e escalas de tempo inferiores ao nanossegundo. Em princípio, isso pode ser feito com o uso de raios X de síncrotron, que recentemente se mostraram capazes (Referência 52) de sondar fenômenos de interface e de obter diretamente imagens da resposta resolvida no tempo de nanoestruturas magnéticas a pulsos de campo magnético inferiores ao nanossegundo (comutação por Oersted) e a pulsos de corrente polarizada em spin
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9Nota editorial: Medições de alta frequência da precessão induzida por corrente (Figura 8) e a necessidade de novas técnicas experimentais.
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associated with high-frequency precession of magnetic moments. High-frequency
techniques must be employed to provide such capabilities, as discussed next.
The first experiment providing unequivocal evidence that a de electrical current can
result in high-frequency (tens of GHz) precession of magnetic moments was reported
by Tsoi et al. in (Reference 9). Here an STT device- point contact-was placed in a
microwave cavity of a high-frequency, high-field electron spin resonance (ESR)
spectrometer. This arrangement allowed performing de transport experiments, such as
those described above, while the contact was irradiated with high-frequency
microwaves. When the frequency of external microwaves matched the precession
frequency excited by the de current, an additional (rectified) voltage was detected
across the contact. By detecting this voltage while varying the external frequency, field,
and applied current, Tsoi et al. (Reference 9) were able to map the frequency excited
by de current as a function of applied field and current. In a more recent experiment,
Rippard et al. (Reference 49) fed microwaves to a point contact via electrical leads and
reported observation of a similar de response.
. .Finally, the high-frequency dynamics of
the free-layer magnetizat ion can be 100 .C .
measured directly by detecting high
frequency oscillat ions in voltage across
a spin valve under de current. Here the
hard magnetic layer is fixed, while the >free layer exhibits a high-frequency a precession relative to the hard layer. Cl) 0. I•
GMR results in a high-freq uency mmodulation of the spin-va lve resistance,
which in turn leads to a high-frequency -0
component of the voltage across the >
spin valve traversed by a de current.
This voltage can be direct ly probed with ·100 •a high-frequency spectrum analyzer, as
. .was recently done by Kiselev et al.
(Reference SO) and by Rippard et al. 0 5 10
(Reference 41). Moreover the voltage
oscillations owing to spin-torque-driven Ti (ns)
magnetic precession can be directly Figure 8. Oscillatory Voltage Generated by
measured in time domain using a Precessional Motion of the Free Magnet in
IrMn8nm/NiFe4nm/Cu8nm/NiFe4nm Nanopillar, insampling oscilloscope (Reference 51), Response to a 335-mV de Voltage Step Applied to
as illustrated in Figure 8. the Device at B = 630 Oersteds (Reference 51)
The above examples illustrate how broadband instrumentation for measuring voltage in
GMR devices may provide important and often unique information about high-frequency
magnetic dynamics driven by spin-transfer torques. However, the detailed
understand ing of STT is still the subject of debate and requires new experimental
techniques capable of probing magnetizat ion dynamics on nanometer length scales and
sub-nanosecond time scales. In principle, this can be accomplished by the use of
synchrotron x-rays that were recently shown (Reference 52) to probe interfacial
phenomena and directly image the time-resolved response of magnetic nanostructures
to sub-nanosecond magnetic field pulses (Oersted switching) and spin-polarized current
9
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(comutação por STT). A Figura 9 mostra imagens de microscopia de raios X de transmissão por varredura (Referência 53) das componentes no plano da magnetização M: Mx no painel (a) e My no painel (b), na camada livre de CoFe (indicada por elipse azul) de um nanopilar magnético de 100 × 150 nm². As imagens foram obtidas varrendo a camada de CoFe com um feixe de raios X focalizado (diâmetro de aproximadamente 30 nm), circularmente polarizado, com a energia dos fótons sintonizada na ressonância característica Co L3 para fornecer contraste magnético por meio do efeito de dicroísmo circular magnético de raios X (Referência 54), e monitorando a transmissão dos raios X em função da posição x, y com um detector de avalanche rápido. O campo vetorial de M da camada livre pode ser reconstruído a partir das componentes Mx e My medidas, como ilustrado na Figura 9c, e a técnica de microscopia de raios X ultrarrápida permitiu monitorar esse campo em função do tempo com resolução de aproximadamente 100 picossegundos. A resolução espacial da técnica é determinada pelo tamanho do ponto do feixe de raios X (aproximadamente 30 nm) e limita atualmente sua aplicação a dispositivos spintrônicos com mais de 100 nm de tamanho (Referência 52). Potencialmente, porém, o desenvolvimento técnico da microscopia de raios X ultrarrápida pode levar a uma técnica definitiva para estudos de STT, capaz de sondar o campo vetorial de M na escala de comprimento do nanômetro com resolução temporal de picossegundos.
[Figura 9: três imagens, (a), (b) e (c).]
Figura 9. Imagens de microscopia de raios X de transmissão por varredura das componentes Mx (a) e My (b) da magnetização M se combinam no campo vetorial (c), que representa a direção de M no plano da camada livre de CoFe. (Referência 52)
3.3 APLICAÇÕES DO STT
O método de STT de manipular momentos magnéticos por uma corrente elétrica oferece controle espacial e temporal sem precedentes das distribuições de spin e atrai considerável atenção por seu potencial de aplicação em uma ampla gama de tecnologias. Discutem-se a perspectiva do STT para aplicações de comunicação em GHz e para a tecnologia de gravação magnética.
A aplicação do STT em tecnologias de alta frequência baseia-se na precessão de spins induzida por transferência de spin. A seção anterior discutiu como a precessão da magnetização em dispositivos de GMR pode converter uma entrada de corrente cc em uma saída de tensão ca. A frequência dessa saída pode ser ajustada de alguns GHz a mais de 100 GHz variando o campo magnético aplicado e/ou a corrente cc, o que resulta, na prática, em um oscilador controlado por corrente para uso em circuitos práticos de micro-ondas. Assim, o efeito STT em
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10Nota editorial: Figura 9 (microscopia de raios X de um nanopilar) e início das aplicações do STT em comunicações de micro-ondas.
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pulses (STT switching). Figure 9 shows scanning transmission x-ray microscopy
(Reference 53) images of in-plane components of magnetization M - Mx in panel (a)
and My in panel (b) -in the free Cafe layer (indicated by blue ellipse) of a 100x150 -nm2
magnetic nanopillar. The images were obtained by scanning a focused (diameter~ 30
nm) circularly polarized x-ray beam across the CoFe layer, with the photon energy
tuned to the characteristic Co L3 resonance to provide magnetic contrast through the x
ray magnetic circular dichroism effect (Reference 54 ), and by monitoring transmission
of the x-rays as a function of the position x, y with a fast avalanche detector. The M
vector field of the free layer can be reconstructed from the measured Mx and My
components as illustrated in Figure 9c, and the ultrafast x-ray microscopy technique
provided a means to monitor this field as a function of time with ~ 100-picosond
resolution . The spatial resolution of the technique is set by the spot size of the x-ray
beam (~30 nm) and currently limits its application to spintronic devices >100 nm in
size (Reference 52). Potentially, however, technical development of the ultrafast x-ray
microscopy may lead to an ultimate technique for STT studies that can probe the M
vector field on the nanometer length scale with picosecond time resolution.
(a) (b) (c)
Figure 9. Scanning transmission x-ray microscopy images of Mx (a) and Mv (b) components of
magnetization M combine into the vector field (c), which represents the direction of Min the plane of
the CoFe free layer. (Reference 52)
3.3 STT APPLICATIONS
The STT method to manipulate magnetic moments by an electrical current offers
unprecedented spatial and temporal control of spin distributions and attracts
considerable attention because of its potential application in a broad range of
technologies. The perspective of STT for GHz communication applications and in
magnetic recording technology is discussed.
The STT application in high-frequency technologies is based on the spin-transfer
induced precession of spins. The previous section discussed how precession of
magnetization in GMR devices can convert a de current input into an ac voltag e output.
The frequency of this output can be tuned from a few GHz to > 100 GHz by changing
the applied magnetic field and/or the de current, effectively result ing in a current
controlled oscillator for use in practical microwave circuits. Hence, the STT effect in
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10Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 15, contando a capa.
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estruturas de GMR fornece um meio de projetar um oscilador de alta frequência em nanoescala, alimentado e sintonizado por corrente cc. Tal oscilador poderia ter características de frequência que abrangem mais de 100 GHz e talvez cheguem à faixa de terahertz. Foram demonstradas larguras de linha de até 2 megahertz (Referência 55), o que leva a fatores de qualidade superiores a 18.000. As aplicações potenciais de tais fontes de alta frequência incluem transceptores integrados para aplicações sem fio e com fio, bem como comunicações chip a chip e dentro do chip, com e sem fio. Para estas últimas, foram propostos circuitos lógicos com um barramento de ondas de spin (Referências 56, 57) como interface entre circuitos eletrônicos e circuitos spintrônicos integrados. Aqui as ondas de spin são usadas para a transmissão e o processamento de informação, e o efeito STT pode fornecer um meio de gerar ondas de spin de forma eficiente em nanoescala.
Na tecnologia de gravação magnética de alta velocidade e alta densidade, o STT poderia substituir o campo de Oersted hoje usado para escrever bits magnéticos em meios de armazenamento (por exemplo, memória magnética de acesso aleatório [MRAM]), levando a uma memória magnética menor e mais rápida. A Figura 10a mostra esquematicamente uma célula de bit de uma MRAM convencional. O estado do bit é programado em "1" ou "0" por comutação entre os estados paralelo e antiparalelo de um elemento de armazenamento semelhante a uma GMR. A MRAM de primeira geração utiliza junções de tunelamento magnético (MTJ) como elementos de armazenamento, por causa de suas razões de magnetorresistência mais altas e de restrições de casamento de impedância. No entanto, ao reduzir a MRAM a dimensões pequenas, espera-se que as mesmas restrições levem a uma transição de MTJs para elementos de armazenamento de válvula de spin totalmente metálicos. A comutação entre os estados "1" e "0" (escrita) depende da reversão magnética da camada livre da MTJ, obtida passando correntes elétricas pelas linhas de "bit" e de "escrita", o que gera um campo magnético suficientemente forte em sua interseção (isto é, para uma dada MTJ). No entanto, como o decaimento espacial desse campo de Oersted é bastante lento (aproximadamente 1/r²), ele pode afetar as células vizinhas. Isso torna questionável a redução da MRAM a dimensões pequenas.
[Figura 10: dois esquemas de células de memória, (a) e (b), com rótulos "Fonte" (Source), "Dreno" (Drain), "Substrato de Si" e "Linha de palavra de escrita" (Write Word Line).]
Figura 10. Célula MRAM convencional (a) em comparação com célula MRAM por STT (b). (Referência 58)
A MRAM por STT (ver Figura 10b) elimina as restrições de escalabilidade. Aqui a comutação do momento magnético da camada livre é obtida por comutação por STT, quando uma corrente elétrica de alta densidade é conduzida diretamente através do elemento de armazenamento (MTJ ou válvula de spin). Essa escrita é, portanto, realizada em níveis altos de corrente, enquanto a leitura (medição da resistência do elemento) é feita com correntes baixas. Como a MRAM por STT elimina a necessidade das linhas de "escrita" e de "desvio" (bypass), é possível realizar uma memória mais compacta.
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11Nota editorial: Osciladores de micro-ondas por STT e comparação entre a célula MRAM convencional e a MRAM por STT (Figura 10).
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GMR structures provides a means to engineer a nanoscale high-frequency oscillator
powered and tuned by de current. Such an oscillator could have frequency
character istics spanning more than 100 GHz and perhaps into terahertz range.
Linewidths as narrow as 2 megahertz were demonstrated (Reference 55), lead ing to
quality factors over 18,000. Potential applications for such high-frequency sources
include integrated transceivers for wireless and wired applications, as well as wireless
and wired chip-to-chip and on-chip communications. For the latter, logic circuits with a
spin wave bus were proposed (Reference 56, 57) as an interface between electronic
circuits and integrated spintronics circuits . Here spin waves are used for information
transmission and processing, and the STT effect can provide a means for efficient spin
wave generation on the nanoscale.
In high-speed, high-densi t y magnet ic recording technology, STT could replace the
Oersted field currently used for writing magnetic bits in storage media (for example,
magnetic random access memory [MRAM]), thus leading to smaller and faster magnetic
memory. Figure 10a schematically shows a bit cell of a conventional MRAM. The bit
state is programmed to a "1" or "0" by switch ing bet ween the parallel and ant iparallel
states of a GMR-like storage element. The first-generation MRAM utilizes magnetic
tunnel junctions (MTJ) as storage elements because of the ir h igher magnetoresistance
ratios and impedance-matching constraints . However in scaling MRAM to small
dimensions, the same constraints are expected to drive a transition from MTJs to fully
metallic spin-valve storage elements. The switching between "1" and "O" states
(writing) relies on magnetic reversal of the MTJ's free layer, achieved by passing
electrical currents down the "bit" and "write" lines, that generates a sufficiently strong
magnetic field at their intersection (that is, for a given MTJ). However, as the spatial
decay of this Oersted field is rather slow (~1/r 2), it may affect neighboring cells. This
makes scaling of MRAM to small dimensions questionable .
(b)(a)
Source Drain
Si substrate
Write Word Line
Si substrate
Figure 10. Conventional MRAM Cell (a) Versus STT MRAM Cell (b) (Reference 58)
STT MRAM (see Figure 10b) removes the constraints on scalability . Here the switching
of the free layer magnet ic moment is achieved by STT switch ing when a high -density
electrical current is driven directly through the storage element (MTJ or spin valve).
This writing is thus performed at high current levels, while the read ing (measuring the
resistance of the element) is done at low currents. Since STT MRAM elim inates the need
for "write" and "bypass" lines, a more compact memory can be realized.
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3.4 MOVIMENTO DE PAREDES DE DOMÍNIO MAGNÉTICO MOVIDO POR STT
Mais uma manifestação do STT em ferromagnetos metálicos é o movimento de paredes de domínio magnético atravessadas por uma corrente elétrica. A previsão original do efeito remonta a 1978, quando Luc Berger previu que uma corrente polarizada em spin deveria aplicar um torque a uma parede de domínio magnético (Referência 59). Em uma série de trabalhos notáveis, mas só recentemente apreciados, Berger estabeleceu as bases teóricas (Referências 59 a 62) e experimentais (Referências 63 a 65) do movimento de paredes de domínio induzido por corrente (CIDWM), que hoje está documentado em materiais que vão de semicondutores magnéticos (Referência 66) a super-redes de anisotropia perpendicular (Referência 67). Mas, de longe, os materiais mais amplamente estudados foram os ferromagnetos metálicos (Referências 10, 11, 68 a 82), incluindo o Py (Ni81Fe19), o CoFe e o Co, por causa de sua presença há décadas na tecnologia de armazenamento magnético.
O efeito CIDWM pode ser entendido qualitativamente com base nos seguintes argumentos. Considere uma corrente elétrica que flui entre dois domínios magnéticos (A e B) com magnetizações opostas e que, portanto, atravessa uma parede de domínio magnético de 180 graus. A situação é semelhante à de uma única interface N/F discutida na Seção 3.1. No domínio A, os spins dos elétrons de condução estão preferencialmente alinhados com o momento magnético de A. Ao entrar no domínio B, os spins se invertem para se alinhar com o momento de B. Ao inverter os spins dos elétrons, os momentos magnéticos na parede de domínio sofrem um torque associado à variação de momento angular decorrente da rotação dos spins dos elétrons. Esse torque de transferência de spin pode mover a parede de domínio no sentido do fluxo de elétrons.
Mover paredes de domínio magnético com corrente foi proposto como base de um novo tipo de memória magnética chamada "racetrack" (pista de corrida) (Referência 83). Em contraste com os discos rígidos (HDD) de hoje, que dependem do movimento de rotação de um disco para levar suas regiões magnéticas, onde estão os dados, até uma cabeça de leitura, a memória racetrack explora a ideia de mover eletronicamente os dados armazenados magneticamente. A Figura 11 ilustra o conceito da pista. A pista é um nanofio ferromagnético, com dados codificados como um padrão de domínios magnéticos ao longo do fio. Pulsos de corrente podem mover todo o padrão ao longo do fio. As duas figuras esquemáticas de 11a mostram os padrões de paredes de domínio na pista antes e depois de passarem pelos elementos de leitura e de escrita. A leitura é feita medindo a resistência de um elemento de junção de tunelamento ligado à pista (Figura 11b); a escrita (Figura 11c), aplicando campos magnéticos locais, por exemplo os campos de borda de uma parede de domínio movida em outro nanofio. Se nanofios em forma de U forem colocados perpendicularmente ao plano de um chip e dispostos em arranjos de alta densidade de pistas (Figura 11d), a densidade de armazenamento resultante pode ser maior que a de dispositivos de memória de estado sólido como a RAM flash e
[Figura 11: esquemas (A) a (D) do conceito de memória racetrack, incluindo uma matriz vertical de pistas ("Matriz de armazenamento de pistas verticais").]
Figura 11. Conceito de memória de pista de corrida (racetrack). (Referência 83)
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12Nota editorial: Movimento de paredes de domínio por corrente e o conceito de memória de pista de corrida (racetrack, Figura 11).
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3.4 STT-DRIVEN MOTION OF MAGNETIC DOMAIN WALLS
Yet another manifestation of STT in metallic ferromagnets is a motion of magnetic
domain walls traversed by an electrical current. The original prediction of the effect
dates back to 1978, when Luc Berger predicted that a spin-polarized current should
apply a torque to a magnetic domain wall (Reference 59). In a series of remarkable but
only recently appreciated works, Berger set the theoretical (Reference 59-62) and
experimental (Reference 63-65) groundwork for current-induced domain wall motion
(CIDWM), which is now documented in materials ranging from magnetic
semiconductors (Reference 66) to perpendicular-anisotropy superlattices (Reference
67). But the most widely studied materials by far have been metallic ferromag nets
(Reference 10, 11, 68-82), including Py (Nis1Fe19), CoFe, and Co, because of their
decades-long ubiquity in magnetic storage technology.
The CIDWM effect can be qualitatively understood on the basis of the following
arguments. Consider an electrical current flowing between two magnetic domains (A
and B) with opposite magnetizations and, thus, traversing a 180-degree magnetic
domain wall. The situation is similar to that of a single N/F interface discussed in
Section 3.1. While in doma in A, spins of conduction electrons are preferentially aligned
with the magnetic moment of A. Once into domain B, the spins reverse to align with the
moment of B. In reversing the electron spins, magnetic moments in the domain wall
experience a torque associated with the change in angular momentum that occurs from
the rotat ion of electrons spins. This spin-transfer torque can move the domain wall in
the direction of the electron flow .
Moving magnetic domain walls with n.rtJ1+
current was proposed as the basis for a A
new type of magnetic memory called
"racetrack" (Reference 83 ). In contrast
to today's hard disk drives (HDD), which
rely on spinning motion of a disk to
move their magnetic regions where the
data is stored past a read head, the
racetrack memory exploits the idea of
moving magnetically stored data
electronically. Figure 11 illustrates the
concept of the racetrack. The racetrack
is a ferromagnetic nanowire, with data
encoded as a pattern of magnetic Raal'trackdomains along the wire. Current pulses vertJcal race1rack storage array
can move the entire pattern along the Figure 11. Racetrack Memory Concept. (Reference 83)
wire. The two cartoons of Figure lla
show the domain wall patterns in the racetrack before and after they have moved past
read and write elements. Reading is achieved by measuring the resistance of a tunnel
junction element connected to the racetrack (Figure llb); writing (Figure llc), by
applying local magnetic fields-for example, the fringing fields of a domain wall moved
in another nanowire. If U-shaped nanowires are placed normal to the plane of a chip
and arranged into high-density arrays of racetracks (Figure lld), the resulting storage
density can be higher than that in solid-state memory devices like flash RAM and
B
C
fa
D
]I
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TRECHO 10 · PÁGINA FÍSICA 18
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semelhante à dos HDDs convencionais; mas a memória racetrack teria desempenho de leitura e escrita muito maior que o do HDD.
4. Spintrônica metálica antiferromagnética
Recentemente, MacDonald e colaboradores (Referência 84) previram que efeitos semelhantes à GMR e ao STT observados com ferromagnetos deveriam ocorrer em sistemas de multicamadas em que os componentes ferromagnéticos (F) são substituídos por antiferromagnetos (AFM). Primeiro, previram que a resistência de uma válvula de spin de AFM, em que duas camadas de AFM são separadas por um espaçador N, poderia depender das orientações relativas dos momentos magnéticos nas duas camadas de AFM (GMR antiferromagnética = AGMR). Segundo, previram que a injeção de uma densidade de corrente suficientemente forte em um AFM deveria afetar seu estado magnético por meio de torque de spin induzido por corrente. Esses novos efeitos em AFM poderiam levar a uma nova spintrônica toda de AFM, em que os AFMs são usados no lugar dos Fs.
Substituir metais F por metais AFM em um dispositivo spintrônico tem várias vantagens. Embora se tenha previsto (Referência 84) que a AGMR de uma válvula de spin de AFM seria de magnitude semelhante à da GMR nas válvulas de spin F padrão, a corrente crítica necessária para alterar a ordem magnética nos AFMs pode ser menor que nos Fs, em parte porque os torques de spin podem atuar sobre todo o volume do AFM. A estimativa da densidade de corrente necessária, j ≈ 10⁹ A/m² (Referência 84), era menor que a j ≈ 10¹¹ A/m² típica necessária para inverter a ordem magnética em multicamadas F/N/F (Referências 5 a 9, 40 a 43, 48 a 51). Por fim, usar metais AFM em dispositivos spintrônicos no lugar de metais F eliminaria os efeitos indesejados da anisotropia de forma sobre a estabilidade magnética de elementos pequenos, oferecendo assim, potencialmente, melhor controle do estado magnético em sistemas de nanoescala e facilitando os requisitos de fabricação.
Seguindo as previsões originais de MacDonald e colaboradores (Referência 84), Xu et al. (Referência 85) calcularam a AGMR para uma multicamada simples AFM/N/AFM/N = FeMn/Cu/FeMn/Cu, e Gomonay e Loktev (Referência 86) forneceram evidência teórica adicional de que a corrente polarizada pode desestabilizar o estado de equilíbrio de um AFM. Note-se, porém, que todos os cálculos até hoje são para amostras perfeitas e dependem de coerência quântica. Sabe-se que a desordem pode reduzir os efeitos previstos. Os experimentos são, portanto, cruciais para ver se algum desses efeitos é visível em amostras reais.
4.1 GMR ANTIFERROMAGNÉTICA
Segundo o conhecimento do autor, o único estudo experimental em busca de AGMR foi realizado por Wei et al. (Referência 87). Eles mediram as magnetorresistências (MR) com corrente no plano (CIP) e com corrente perpendicular ao plano (CPP) de multicamadas magnéticas contendo duas camadas antiferromagnéticas separadas por uma camada não magnética. Previu-se (Referência 84) que tal válvula de spin antiferromagnética, AFM/N/AFM, exibiria AGMR semelhante à GMR vista em válvulas de spin ferromagnéticas, F/N/F, que contêm duas camadas ferromagnéticas separadas por uma camada não magnética. Note-se, porém, que os cálculos (Referência 84) supuseram transporte balístico em amostras com camadas e interfaces perfeitas, em que a AGMR é consequência de efeitos de interferência quântica. Assim, qualquer desordem que produza espalhamento difusivo e enfraqueça a interferência quântica enfraquecerá qualquer AGMR desse tipo.
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13Nota editorial: Fim do conceito racetrack e abertura da Seção 4: GMR e STT previstos para materiais antiferromagnéticos.
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similar to conventional HDDs; but the racetrack memory would have much higher
read/write performance than HDD.
4 . Antiferromagnetic Metal Spintronics
Recently, MacDonald and coworkers (Reference 84) predicted that effects similar to
GMR and STT observed with ferromagnets ought to occur in multilayer systems where
the ferromagnet ic (F) components are replaced by antiferromagnets (AFM). First, they
predicted that the resistance of an AFM spin valve - where two AFM layers are
separated by an N spacer- could depend on the relative orientations of the magnetic
moments in the two AFM layers (antiferromagnetic GMR = AGMR). Second, they
predicted that injecting a sufficiently strong current density into an AFM should affect
its magnetic state via current -induced spin torque. These new AFM effects could lead to
new all-AFM spintronics where AFMs are used in place of Fs.
Replacing F metals with AFM metals in a spintronic device has several advantages.
While AGMR of an AFM spin valve was predicted (Reference 84) to be similar in
magnitude to GMR in standard F spin valves, the critical current needed to alter the
magnetic order in AFMs can be smaller than for Fs, partly because spin torques can act
through the entire AFM volume. The estimate of the necessary current density j 109N
A/m 2 (Reference 84) was less than the typical j "' 1011 A/m 2 needed to reverse the
magnetic order in F/N/F multilayers (Reference 5-9, 40-43, 48-51). Finally, using AFM
metals in spintronic devices in place of F metals would eliminate unwanted effects of
shape anisotropy on the magnetic stability of small elements, thus potentially offering
better control of the magnetic state in nanoscale systems and easing fabrication
requirements.
Following the original predictions of MacDonald and coworkers (Reference 84), Xu et al.
(Reference 85) calculated the AGMR for a simple AFIM/N/AFM/N = FeMn/Cu/FeMn/Cu
multilayer, and Gomonay and Loktev (Reference 86) provided additional theoretical
evidence that polarized current can destabilize the equilibrium state of an AFM. Note,
however, that all calculations to date are for perfect samples and depend on quantum
coherence. It is known that disorder can reduce the predicted effects. Experiments are
thus crucial to see if any such effects are visible in real samples.
4 .1 ANTIFERROMAGNETIC GMR
To the author's knowledge, the only experimental study searching for AGMR was
performed by Wei et al. (Reference 87). They have measured current-in-plane {CIP)
and current -perpendicular-to -plane (CPP) magnetoresistances (MR) of magnet 1ic
multilayers containing two antiferromagnetic layers separated by a nonmagnet ic layer.
Such an antiferromagnetic spin valve, AFM/N/AFM, was predicted (Reference 84) to
exhibit AGMR similar to GMR seen in ferromagnetic spin valves, F/N/F, containiing two
ferromagnetic layers separated by a nonmagnetic layer. Note, however, that
calculations (Reference 84) assumed ballistic transport in samples with perfect layers
and interfaces where AGMR is a consequence of quantum interference effects. Thus,
any disorder that produces diffusive scattering and weakens quantum interference will
weaken any such AGMR .
13
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TRECHO 11 · PÁGINA FÍSICA 19
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Em tricamadas F/N/F, a orientação relativa das magnetizações dos dois F é controlada por um campo magnético B aplicado externamente. Para obter estados antiparalelo e paralelo bem definidos das duas camadas F, o momento de um dos F costuma ser "fixado", por acoplamento de troca (polarização de troca), a uma camada AFM adjacente (Referências 88, 89), deixando o momento do outro livre para se inverter com um B muito menor. Em uma amostra simples AFM/N/AFM, não se espera que a simples aplicação de um campo B seja eficiente, por causa do efeito fraco dos campos externos sobre os momentos magnéticos nos AFMs. Para obter melhor controle dos AFMs, as válvulas de spin AFM/N/AFM podem ser colocadas entre duas camadas F, formando F/AFM/N/AFM/F, com as duas camadas AFM acopladas por troca de modo diferente aos respectivos vizinhos F. Aplicar um campo magnético para mudar a ordem magnética das camadas F deveria então afetar também a ordem das camadas AFM. Além das multicamadas AFM/N/AFM e F/AFM/N/AFM/F, Wei et al. (Referência 87) estudaram várias estruturas, F/AFM/N/AFM, AFM/F/N/AFM, F/AFM e camadas únicas de F e de AFM, para isolar as observações de MR de interesse de possíveis efeitos espúrios.
Para correntes aplicadas pequenas, nem as medições padrão de MR com corrente no plano (CIP) em filmes de multicamadas estendidos nem as medições de MR CPP com contatos pontuais mostraram qualquer MR em amostras de todos os tipos. Para correntes aplicadas maiores, pequenas MRs CPP positivas (a resistência é a maior na saturação) foram observadas às vezes em amostras com ao menos uma camada F, enquanto nenhuma MR foi vista em amostras sem F. Essas observações sugerem que multicamadas AFM/N/AFM produzidas por pulverização não apresentam AGMR, possivelmente porque o transporte nesses filmes imperfeitos é em grande parte difusivo. As pequenas MRs observadas em correntes mais altas em filmes com camadas F podem estar associadas à supressão, em correntes altas, da acumulação de spin induzida dentro e ao redor dos F (Referência 90). Ainda são necessários estudos adicionais em filmes de alta qualidade para verificar a possível existência de AGMR em tais estruturas.
4.2 STT ANTIFERROMAGNÉTICO
Estimulados pelos estudos teóricos das Referências 84 a 86, foram publicadas até agora quatro buscas experimentais por efeitos do STT em AFMs (Referências 91 a 94), todas com válvulas de spin com polarização de troca (EBSV) da forma AFM/F1/N/F2. Aqui o AFM fica fora da região "ativa" de GMR das duas camadas F e serve principalmente para "fixar" a magnetização da camada F2 adjacente num campo de reversão (comutação) mais alto que o da camada F1 "livre", deixando a camada F1 livre para girar em campo mais baixo. A fixação é produzida aquecendo-se a amostra acima da temperatura de bloqueio do AFM, aplicando um campo magnético e depois resfriando-a até a temperatura ambiente com o campo ligado, ou aplicando um campo magnético durante o crescimento da amostra. Wei et al. (Referência 91) usaram um contato pontual para injetar uma alta densidade de corrente cc, j ≈ 10¹² A/m², aproximadamente CPP, em um filme de EBSV. Urazhdin e Anthony (Referência 92) enviaram uma densidade de corrente cc CPP j ≈ 5 × 10¹¹ A/m² a EBSVs em nanopilares fabricados por litografia de feixe de elétrons. Tang et al. (Referência 93) enviaram uma densidade de corrente cc no plano (CIP) de aproximadamente 10¹⁰ A/m² a um filme de EBSV com um AFM metálico. Dai et al. (Referência 94) enviaram uma densidade de corrente ca CIP j ≈ 10⁹ A/m² a um filme de EBSV com um AFM isolante. Em todos os estudos (Referências 91 a 94), constatou-se que uma corrente de polarização suficientemente alta pode influenciar a reversão magnética da camada F1 "fixada". Como se sabe que a fixação (polarização de troca) está associada aos momentos do AFM na interface (Referências 88, 89), essa observação pode ser tomada como evidência dos efeitos da corrente sobre o AFM previstos nas Referências 84 a 86, desde que outros efeitos espúrios (por exemplo, o aquecimento Joule) possam ser descartados.
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14Nota editorial: Busca experimental de GMR antiferromagnética, sem efeito mensurável, e início da seção sobre STT em antiferromagnetos.
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UNCLASSIFIED/ / FOR OFFI&IAk W&E 8PtkY
In F/N/F tri layers, the relative orientation of the magnetizations of the two Fs is
controlled by an externally applied magnetic field B. To achieve well-defined antiparallel
and parallel states of the two Flayers, the moment of one Fis often "pinned," via
exchange coupling (exchange bias) to an adjacent AFM layer (Reference 88, 89),
leaving the moment of the other free to reverse in much smaller B. In a simple
AFM/N/AFM sample, just applying a field Bis not expected to be efficient because of the
weak effect of external fields on magnetic moments in AFMs. To achieve better control
of the AFMs, AFM/N/AFM spin valves can be sandwiched between two F layers to give
F/AFM/N/AFM/F, with the two AFM layers differently exchange-coupled to their
respective F neighbors. Applying a magnetic field to change the magnetic order of the F
layers should then also affect the order of the AFM layers. In addition to AFM/N/AFM
and F/AFM/N/AFM/F multilayers, Wei et al. (Reference 87) have studied a variety of
structures-F/AFM/N/AFM, AFM/F/N/AFM, F/AFM, and single F and AFM layers-to
isolate the MR observations of interest from potential spurious effects .
For small applied currents, neither standard current-in-plane (CIP) MR measurements
on extended multilayer films nor CPP MR measurements with point contacts showed
any MRs for samples of all types. For larger applied currents, small positive CPP MRs
(resistance is highest at saturation) were sometimes observed in samples with at least
one F layer, while no MR was seen in samples with no Fs. These observations suggest
sputtered AFM/N/AFM multilayers do not show AGMR, possibly owing to mostly diffusive
transport in such imperfect films. Small MRs observed at higher currents in films with F
layers may be associated with the suppression at high currents of spin accumulation
induced within and around Fs (Reference 90). Further studies on high-quality films are
still needed to verify any possible existence of AGMR in such structures.
4 .2 ANTIFERROMAGNETIC STT
Stimulated by the theoretical studies in (Reference 84-86), four experimental searches
for effects of STT on AFMs have been published so far (Reference 91-94 ), all working
with exchange-biased spin-valves (EBSVs) of the form AFM/Fl/N/F2. Here the AFM lies
outside the "active" GMR region of the two F layers and serves mainly to "pin" the
magnetization of the adjacent F2 layer to a higher reversing (switching) field than that
of the "free" Fl layer, leaving the Fl layer free to rotate at a lower field. The pinning is
produced either by heating the sample to above the blocking temperature of the AFM,
applying a magnetic field, and then cooling to room temperature with the field on or by
applying a magnetic field during sample growth. Wei et al. (Reference 91) used a point
contact to inject a high de current density j "' 1012 A/m 2 approximately CPP into an
EBSV film. Urazhdin and Anthony (Reference 92) sent a de CPP current density j ~5 x
1011 A/m 2 into electron -beam-lithography -fabricated nanopillar EBSVs. Tang et al.
(Reference 93) sent a de current-in-plane (CIP) current density ~1010 A/m 2 into an
EBSV film with a metallic AFM. Dai et al. (Reference 94) sent an ac CIP current density j
"' 109 A/m 2 into an EBSV film with an insulating AFM. In all of the studies (Reference
91-94), it was found that a sufficiently high bias current can influence the magnetic
reversal of the "pinned" Fl layer. As the pinning (ex,change bias) is known to be
associated with interfacial AFM moments (Reference 88, 89), this observation can be
taken as evidence of effects of the current on the AFM predicted in (Reference 84-86),
given that other spurious effects (for example, Joule heating) can be ruled out.
UNCLASSIFIED/ ,eFOlil OFFI CI 0L: 11&: i ODIL:¥
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Spintrônica Metálica
Preparado por:
Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3)
Escritório de Alerta de Defesa
Diretoria de Análise
Agência de Inteligência de Defesa
Autor:
AAP Person 71
Nota administrativa
AVISO DE DIREITOS AUTORAIS: não é autorizada a disseminação adicional das fotografias desta publicação.
Este produto faz parte de uma série de relatórios de tecnologia avançada produzidos no ano fiscal de 2009 no âmbito das Aplicações de Sistemas de Armas Aeroespaciais Avançados (AAWSA) do Escritório de Alerta de Defesa da Agência de Inteligência de Defesa. Comentários ou perguntas sobre este documento devem ser dirigidos a AAP Person 1, Gerente do Programa AAWSA, Agência de Inteligência de Defesa, ATTN: CLAR/DWO-3, Bldg 6000, Washington, DC 20340-5100.
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iiNota editorial: Folha de expediente: autoria anônima, divisão da DIA responsável e aviso sobre as fotografias.
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UNCLASSIFIED//F8R 8FFl&l1 11L W&& 8f1Ll/
Metallic Spintronics
Prepared by:
Acquisition Support Division (DW0-3)
Defense Warning Office
Directorate for Analysis
Defense Intelligence Agency
Author :
AAP Person 71
Administrative Note
COPYRIGHT WARNING: Further dissemination of the photographs In this publication Is not a.uthorlzed.
This product is one in a series of advanced technology reports produced in FY 2009
under the Defense Intelligence Agency, Defense Warning Office's Advanced Aerospace
Weapon System Applications (AAWSA) Program. Comments or questions pertaining to
this document should be addressed to!AAP Person 1 I AAWSA Program
Manager, Defense Intelligence Agency, ATTN: CLAR/DW0-3, Bldg 6000, Washington,
DC 20340-5100 .
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TRECHO 13 · PÁGINA FÍSICA 20
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A observação original do efeito foi relatada por Wei et al. (Referência 91), que mediram a magnetorresistência de um contato pontual com um filme de EBSV à temperatura ambiente (aproximadamente 295 K), com corrente negativa fluindo da ponta do contato para dentro do filme. A geometria da amostra é mostrada na Figura 12a. Usa-se um contato pontual para injetar uma corrente cc em uma multicamada, produzida por pulverização, N/F1/N/F2/AFM/N = Cu (50 ou 100 nm)/CoFe (3 ou 10 nm)/Cu (10 nm)/CoFe (3 ou 10 nm)/FeMn (3 ou 8 nm)/Au (5 nm) (ou versões invertidas dela, isto é, Cu/FeMn/CoFe/Cu/CoFe/Au). A amostra é aquecida a aproximadamente 450 K (acima da temperatura de bloqueio do FeMn) e depois resfriada em um campo magnético de 180 oersteds para polarizar por troca a camada "fixada" F2 num campo magnético mais alto que o necessário para inverter a camada "livre" F2. A camada superior é coberta por uma camada de Au de 5 nm de espessura, para protegê-la da contaminação atmosférica. O campo magnético H é aplicado no plano das camadas e ao longo da direção da polarização de troca. O acoplamento magnético entre as duas camadas F deve ser desprezível, porque a camada N é espessa o bastante (10 nm) para eliminar o acoplamento de troca e as duas camadas F são largas o bastante (aproximadamente mm) para minimizar o acoplamento dipolar. A camada N inferior é de Cu, espessa o bastante (50 ou 100 nm) para aproximar uma equipotencial, gerando assim um fluxo de corrente aproximadamente CPP através do EBSV F1/N/F2/AFM.
[Figura 12: (a) esquema do contato pontual sobre a amostra, com as camadas F1, N, F2, AFM e N; (b) curvas de R em função de B, em mT, para uma série de correntes; (c) a (e) gráficos em escala de cinza de R em função de B, para valores diferentes de I.]
Figura 12. (a) Esquema do contato pontual com a geometria da amostra. Foi omitida uma camada protetora de Au de 5 nm de espessura entre o contato pontual e a multicamada. A camada N inferior também é muito mais espessa do que mostrado, para ajudar a produzir uma corrente quase CPP. (b) R (escala vertical) em função do campo magnético aplicado B, para uma série de correntes I. As curvas pretas cheias são curvas de histerese que começam em B positivo grande e terminam em B negativo grande. As curvas cinzas começam em B negativo grande e terminam em B positivo. Nas curvas escuras, a camada "livre", F1, comuta em aproximadamente −5 mT e a camada fixada, F2, comuta em campos que vão de abaixo de −40 mT (I positivo grande) a cerca de −60 mT (I negativo grande). (c a e) Gráficos em escala de cinza de R em função de B, para diferentes valores de I. O branco é o R máximo (estado antiparalelo) e o preto é o R mínimo (estado paralelo). As linhas são ajustes lineares dos dados a 30 por cento (tracejada branca), 50 por cento (cheia branca) e 70 por cento (tracejada preta) do R máximo. A amostra (c) é a amostra de (b), com a camada AFM embaixo (a mais distante do contato pontual). A amostra (d) é semelhante a (c), exceto por estar invertida, de modo que a camada AFM fica em cima (a mais próxima do contato pontual). A amostra (e) difere de (b) apenas por ter duas camadas F de mesma espessura (8 nm). (Referência 91)
A Figura 12b mostra curvas de magnetorresistência para uma série de correntes I aplicadas a um contato pontual de resistência R = 0,92 Ω. As curvas escuras mostram varreduras do campo positivo para o negativo, e as curvas mais claras mostram as varreduras de volta, do campo negativo para o positivo. Para esse contato, I = 30 mA corresponde a j ≈ 2 × 10⁸ A/cm². Nas curvas escuras, um campo positivo grande +B ao longo da direção de fixação faz os momentos das camadas F "livre" e "fixada" apontarem ao longo de +B, produzindo a resistência mínima R_P nessa orientação paralela dos dois F. Reduzindo-se a magnitude de B, a camada F2 "livre" se inverte em um B negativo de pequena magnitude, dando a resistência máxima R_AP na configuração antiparalela. Por fim, um B negativo de maior magnitude rompe a fixação por polarização de troca da camada F1 "fixada", e seu momento gira para ao longo de −B, fazendo a
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15Nota editorial: Experimento de Wei e colegas com contato pontual em filme de válvula de spin com polarização de troca (Figura 12).
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UNCLASSIFIED/ / FOR OFFIElIAk WSE OPtkY
The original observation of the effect was reported by Wei et al. (Reference 91), who
measured magnetoresistance of a point contact to EBSV film at room temperature ( ~
295K) with negative current flowing from the contact tip into the film. The sample
geometry is shown in Figure 12a. A point contact is used to inject a de current into a
sputtered N/Fl/N/F2/A FM/N = Cu(50 or 100nm)/CoFe(3 or 10nm)/Cu(10nm)/CoFe(3 or
l0nm)/FeMn (3 or 8nm)/Au(5nm) multilayer (or inv,erted versions thereof-that is,
Cu/FeMn/CoFe/Cu/CoFe/Au). The sample is heated to ~450K (above the blocking
temperature of FeMn) and then cooled in a magnetic field of 180 Oersteds to exchange
bias the "pinned" layer F2 to a higher magnetic field than needed to reverse the "free"
layer F2. The top layer is covered by a 5-nm-thick layer of Au to protect it from
atmospheric contamination. The magnetic field H is applied in the plane of the layers
and along the direction of exchange bias. Magnetic coupling between the two F layers
should be negligible, because the N layer is thick enough (10 nm) to eliminate
exchange coupling, and the two Flayers are wide enough ( ~mm) to minimize dipolar
coupling. The bottom N layer is Cu, made thick enough (50 or 100 nm) to approximate
an equipotential, thereby generating an approximately CPP current flow through the
Fl/N/F2/ AFM EBSV.
J
F1 -
N
F2 -
AFM - ----
N
"° 20
e , ,,,, ,
·60
I
I
0 ·20 0
30
0
.30
10
l0
-10 -
20
0
·20
B (mTJ B(mT)
Figure 12. (a) Schematic of point contact to sample geometry. Omitted is a 5-nm-thick protective Au
capping layer between the point contact and the multilayer. The bottom N layer is also much thicker
than shown to help produce a nearly CPP current. (b) R (vertical scale) versus applied magnetic field B
for a series of currents I. The solid black curves are hysteresis curves starting from large positive Band
finishing at large negative B. The grey curves start at large negative B and finish at positive B. In the
dark curves, the "free" layer, Fl, switches at ,.., -5 mT and the pinned layer, F2, switches at fields
ranging from below -40 mT (large positive I) to about - 60 mT (large negative I). (c-e ) Grey -scale plots
of R versus B for different values of I. White is maximum R (antiparallel state) and black is minimum R
(parallel state). Lines are linear fits to the data at 30 percent (dashed white), SO percent (solid white)
and 70 percent (dashed black) of maximum R. Sample (c) is the sample of (b), with the AFM layer on
the bottom (furthest from the point contact). Sample (d} Is similar to (c), except inverted, so that the
AFM layer is on top (closest to the point contact). Sample (e) differs from (b) only in that it has two
equally thick (8-nm) F layers. (Reference 91)
Figure 12b shows magnetoresistance curves for a series of currents I applied to a point
contact with resistance R = 0.92 n. The dark curves show sweeps from positive to
negative field, and the lighter curves show sweeps back down from negative to positive
field. For this contact, I = 30 mA corresponds to j ~2 x 108 A/cm 2. For dark curves, a
large positive field + B along the pinning direct ion causes the moments of both the
"free" and "pi nned" F layers to point along +B, produci ng t he minimum resistance RP in
this parallel orientation of the two Fs. Reducing the magnitude of B, the "free" F2 layer
reverses at a small-magn itude negative B, giving the maximum resistance RAPin
antipara llel configurat ion. Finally, a larger magnitude negative B breaks the exchange
bias pinning of the "pinned" Fl layer, and its moment rotates to along -B, returning the
UNCLASSIFIED/ ,' FOA OfifilCI0Lt !P&i Alf! Y
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TRECHO 14 · PÁGINA FÍSICA 21
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amostra voltar a R_P. Nas curvas mais claras das varreduras de volta (Figura 12b), a resistência medida segue essas mudanças em ordem inversa.
Concentrando-nos nas curvas escuras, vemos que o campo de comutação da camada livre F1 é essencialmente independente da magnitude de I e mostra pouco alargamento. Em contraste, o campo de comutação da camada fixada F2 se alarga de modo significativo à medida que a magnitude de I aumenta, e o ponto médio da comutação também se desloca com I, aumentando para −I e diminuindo para +I. Comportamentos semelhantes também são vistos nas curvas mais claras. Os deslocamentos opostos para +I e −I indicam que esses deslocamentos não podem ser devidos ao aquecimento Joule, que deveria causar deslocamentos no mesmo sentido para os dois sentidos de I. Mas o aquecimento Joule poderia contribuir para o alargamento das transições de comutação. Os deslocamentos das curvas escuras são especificados com mais clareza na Figura 12c, que mostra gráficos em escala de cinza das alturas das curvas da Figura 12b, com o branco representando o estado antiparalelo de resistência máxima e o preto o estado paralelo de resistência mínima. Dados de três contatos representativos (de 29) em três amostras diferentes mostram que o comportamento de interesse não se limita a uma única amostra ou contato e que resultados semelhantes costumam ser obtidos para ajustes de reta a 30 por cento (linhas tracejadas brancas), 50 por cento (linhas cheias brancas) e 70 por cento (linhas cheias pretas) da variação máxima de R. A amostra da Figura 12d é um contato com R = 1,6 Ω a uma versão invertida da amostra das Figuras 12b e c, de modo que as "direções" das correntes ficam invertidas. A amostra da Figura 12e tem camadas de mesma espessura, F1 = F2 = 3 nm. As três amostras mostram as mesmas características, isto é, os elétrons que passam por F2 para dentro da camada AFM reforçam a fixação, e os elétrons que passam pela camada AFM para dentro de F2 a reduzem. De modo semelhante ao caso de AFM = CoFe, constatou-se que uma densidade de corrente negativa de aproximadamente 10¹² A/m² injetada através de F = CoFe em uma interface AFM = IrMn/CoFe (Referências 95, 96) aumenta a polarização de troca, enquanto uma corrente positiva a diminui.
Wei et al. (Referência 91) propuseram a seguinte explicação qualitativa para essas mudanças assimétricas no campo de comutação (polarização de troca) com a corrente. Perto do campo de comutação, a metaestabilidade da orientação de F2 oposta ao campo se deve quase inteiramente às interações de troca com momentos não compensados na camada superficial do antiferromagneto. Alguns desses spins estão fixados, induzindo assim uma barreira de energia para a reversão dos spins da camada ferromagnética (Referências 88, 89). Os elétrons que fluem de F2 para o AFM induzem torques sobre os momentos na matriz do AFM, alterando sua configuração magnética (Referência 84). Esses torques STT tendem a favorecer o alinhamento paralelo dos momentos na interface F2/AFM e, portanto, tenderão a aumentar o campo de polarização de troca. Os elétrons que fluem no sentido oposto tenderão a ter o efeito oposto. As variações observadas na polarização de troca mediadas por uma corrente elétrica podem, assim, ser tomadas como boa evidência do efeito STT em AFM. No entanto, tais medições de transporte não distinguem entre os efeitos da corrente sobre o AFM em volume e os efeitos sobre os momentos do AFM na interface, e técnicas mais elaboradas são necessárias para obter um entendimento detalhado do fenômeno.
5. Resumo e conclusões
A indústria de semicondutores distinguiu-se por uma tendência de longo prazo conhecida como lei de Moore (Referência 97), que prevê um aumento exponencial da densidade de transistores em um chip, dobrando aproximadamente a cada 2 anos. Mantido esse ritmo, a densidade de transistores chegará a aproximadamente 10¹³ cm⁻² em 2035, o que, em velocidades de relógio de aproximadamente 10 GHz, resultaria em aproximadamente 40 MW/cm² de potência dissipada em um chip. A menos que a dissipação de energia da
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16Nota editorial: Efeito da corrente sobre o campo de comutação da camada fixada, explicação proposta por Wei e colegas, e início das conclusões.
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UNCLASSIFIED/ /FOA OFFl&ilAk W&& 8PtLY
sample to RP. For lighter curves of back-sweeps (Figure 12b), the measured resistance
follows these changes in reverse order .
Focusing on the dark curves, we see that the switching field of the free layer Fl is
essentially independent of the magnitude of I and shows little broadening. In contrast,
the switching field of the pinned layer F2 broadens significantly as the magnitude of I
increases, and the midpoiint of the switching also shifts with I, increasing for - I and
decreasing for + I. Similar behaviors are seen also in the lighter curves. Opposite shifts
for + I and - I indicate these shifts cannot be due to Joule heating, which should cause
shifts in the same direction for both directions of I. But Joule heating might contribute
to the broadening of the switch ing transitions. The shifts of the dark curves are
specified more clearly in Figure 12c, which shows gr,ey -scale plots of the heights of the
curves in Figure 12b, with white representing the antiparallel state of maximum
resistance, and black the parallel state of minimum resistance. Data for three
representative contacts (out of 29) on three different samples show that the behavior
of interest is not limited to a single sample or contact, and that similar results are
generally obtained for straight line fits to 30 percent (white dashed lines), SO percent
(solid white lines), and 70 percent (solid black lines) of the maximum change in R. The
sample in Figure 12d is a contact with R = 1.6 n to an inverted version of the sample in
Figures 12b and c, so that the "directions" of currents are reversed. The sample in
Figure 12e has equal thickness Fl = F2 = 3-nm layers. All three samples show the
same features-that is, electrons passing through F2 into the AFM layer enhance
pinning, and electrons passing through the AFM layer into F2 reduce it. Similar to the
case of AFM=CoFe, a negat ive current density N1012 A/m 2 injected through the F=CoFe
into an AFM=IrMn/CoFe interface (Reference 95, 96) was found to increase the
exchange bias, while a positive current decreased it.
Wei et al. (Reference 91) proposed the follow ing qualitative explanation for these
asymmetric changes in switching (exchange bias) field with current. Near the switching
field, the metastability of F2's opposite to field orientation is due almost entirely to
exchange interactions witlh uncompensated moments in the surface layer of the
antiferromagnet. Some of these spins are pinned, thereby inducing an energy barrier
for ferromagnetic layer spin reversal (Reference 88, 89). Electrons flowing from F2 into
AFM induce torques on moments in the AFM matrix, altering its magnetic configuration
(Reference 84). These STT torques tend to favor parallel alignment of moments at the
F2/AFM interface and will therefore tend to increase the exchange bias field. Electrons
flowing in the opposite direction will tend to have the opposite effect. The observed
variations in exchange bias mediated by an electrical current thus can be taken as good
evidence of the STT effect in AFM. However, such transport measurements do not
distinguish between effects of the current on the bulk AFM and those on interfacial AFM
moments, and more elaborate techniques are needed to obtain a detailed
understanding of the phenomenon.
5. Summary and Conclusions
The semiconductor indust ry has distinguished itself by a long-term trend known as
Moore's law (Reference 97) that foresees an exponential increase in transistor density
on a chip, doubling approximately every 2 years. Continuing at this pace, the transistor
density will reach ~ 1013 cm·2 by 2035, which at clock speeds of ~10 GHz wou Id result
in ~40 MW/cm2 of power dissipated on a chip. Unless the energy dissipation from
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comutação dos transistores possa ser reduzida de forma dramática, a carga térmica associada a 40 MW/cm² excederá a de um bocal de foguete. A falha da gestão térmica em um chip pode pôr fim ao progresso contínuo da indústria de semicondutores muito antes de 2035. O Roteiro Tecnológico Internacional para Semicondutores (http://www.itrs.net) chamou esse colapso iminente de "Muro de Tijolos Vermelhos" (Red Brick Wall), em que "Vermelho" indica que não existem "soluções fabricáveis conhecidas" (de confiança razoável) para a continuação da redução de escala em algum aspecto da tecnologia de semicondutores.
O cenário acima motiva a busca de dispositivos de processamento de sinais que dissipem muito pouca energia ao comutar. A tecnologia spintrônica emergente pode oferecer tais dispositivos, em que a informação é transportada pelo spin, ao contrário dos transistores CMOS, em que é transportada pela carga, já que o spin tem uma vantagem inerente sobre a carga no que diz respeito à dissipação de energia. Portanto, se for possível encontrar um modo confiável de controlar e manipular spins, os dispositivos spintrônicos poderiam oferecer maiores velocidades de processamento de dados, menor consumo de eletricidade e muitas outras vantagens sobre os chips convencionais, talvez incluindo a capacidade de realizar cálculos quânticos radicalmente novos.
Um dispositivo spintrônico exige métodos eficientes de gerar, conduzir, processar e detectar sinais codificados em spin. Revisamos a física e as aplicações emergentes de dois fenômenos spintrônicos principais, a magnetorresistência gigante e o torque de transferência de spin, que fornecem meios de detectar (GMR) e manipular (STT) os sinais de spin. A GMR já provocou uma grande mudança tecnológica na indústria de armazenamento de informação, com o uso de sensores e cabeças de leitura de GMR, e, junto com a magnetorresistência de tunelamento (TMR), deve continuar a dominar a detecção de sinais codificados em spin. O STT é um desenvolvimento mais recente da spintrônica, que fornece um meio eficiente de controlar e manipular distribuições de spin na escala de comprimento do nanômetro e na escala de tempo do picossegundo, posicionando assim o STT como o método de escolha para o processamento rápido de sinais de spin em nanodispositivos.
Qual é o futuro das aplicações spintrônicas? Foram propostos vários novos dispositivos spintrônicos baseados em GMR e STT. Entre eles estão osciladores, fontes e detectores de alta frequência (GHz), bem como sensores de campo magnético, por exemplo em memórias não voláteis como a racetrack e a memória magnética de acesso aleatório por STT (STT-MRAM). No entanto, ainda resta muito trabalho fundamental a fazer antes que vejamos aplicações comerciais desses dispositivos. Para a indústria de memórias, o desenvolvimento dessas aplicações spintrônicas pode levar a uma memória universal que combinaria os benefícios de custo da DRAM, a velocidade da SRAM e a não volatilidade da RAM flash. Potencialmente, todas as operações lógicas em um chip poderiam ser realizadas manipulando spins em sistemas metálicos, em vez de manipular cargas em transistores semicondutores, como nos microchips convencionais. Além disso, tais operações poderiam ser combinadas em um chip com uma memória universal. Isso resultaria em uma nova eletrônica, computadores e assim por diante escaláveis e resistentes à radiação. A resistência à radiação seria de interesse particular para aplicações aeroespaciais, porque se sabe que a radiação no espaço danifica severamente a eletrônica convencional, acumulando carga destrutiva nos transistores. Longas viagens espaciais, que expõem a eletrônica de bordo a anos de radiação, se beneficiariam da resistência à radiação e do consumo reduzido de energia (por exemplo, como uma memória não volátil, que retém a informação armazenada mesmo quando desligada) dos dispositivos spintrônicos metálicos. De modo mais geral, o impacto do consumo reduzido de energia em dispositivos eletrônicos é difícil de superestimar, pois dependemos desses dispositivos em quase todos os aspectos de nossa vida cotidiana.
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17Nota editorial: Conclusões: a spintrônica como saída para o limite térmico dos chips, o estado de GMR e STT e as aplicações aeroespaciais resistentes à radiação.
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transistor switching can be reduced dramatically, the thermal load associated with 40
MW/cm2 will exceed that in a rocket nozzle. The failure of thermal management on a
chip might end the continued progress of the semiconductor industry well before 2035.
The International Technology Roadmap for Semiconductors (http://www. itrs.net) has
termed this imminent collapse the "Red Brick Wall," where "Red" indicates no "known
manufacturable solutions" (of reasonable confidence) exist for continued scaling in
some aspect of the semiconductor technology.
The scenario above motivates the search for signal-processing devices that dissipate
very little energy when they switch . The emerging spintronic technology might offer
such devices where information is carried by spin-in contrast to CMOS transistors,
where it is carried by charge-since spin has an inherent advantage over charge when it
comes to energy dissipation. Therefore, if a reliable way can be found to control and
manipulate spins, spintronic devices could offer higher data processing speeds, lower
electricity consumption, and many other advantages over conventional chips, perhaps
including the ability to carry out radically new quantum computations .
A spintronic device calls for efficient methods to generate, conduct, process, and detect
spin-encoded signals. We have reviewed the physics and emerg ing applications of two
principal spintronic phenomena-giant magnetoresistance and spin-transfer-torque
that provide means to detect (GMR) and manipulate (STT) the spin signals. GMR has
already spawned major technological change in the information storage industry with
the usage of GMR sensors and read heads and, along with tunneling magnetoresistance
(TMR), is expected to continue to dominate the detection of spin-encoded signals. STT
is a more recent development in spintronics that provides an efficient means of
controlling and manipulating spin distrib utions on the nanometer length scale and the
picosecond-time scale, thus positioning STT as the method of choice for fast processing
of spin signals in nanodevices.
What is the future of spintronic applications? A number of new spintronic devices based
on GMR and STT have been proposed. These include high-frequency (GHz) oscillators,
sources, and detectors, as well as magnetic field sensors-for example, in nonvolatile
memories such as racetrack and STT magnetic random access memory (STT-MRAM) .
However, much fundamental work remains to be done before we see commercial
applications of these devices. For the memory industry, development of these spintronlc
applications may lead to a universal memory that would combine cost benefits of
DRAM, speed of SRAM, and nonvolatility of flash RAM. Potentially all logic operations on
a chip could be carried out by manipulating spins in metallic systems instead of
manipulating charges in semiconductor transistors, as in conventional microchips.
Moreover, such operations could be combined on a chip with a universal memory. This
would result in a new scalable and radiation-res istarnt electronics, computers, and so
forth . The radiation resistance would be of part icular interest for aerospace applications
because the radiation in space is known to severely damage conventional electronics by
building up a destructive charge in transistors. Long space trips that would expose
onboard electronics to years of radiation would benefit from the radiation resistance
and reduced power consumption (for example, like a nonvolatile memory that can
retain the stored information even when not powered) of metallic spintronic devices.
More generally, the impact of reduced power consumption in electronic devices is hard
to overest imate, as we rely on such devices in almost every aspect of our everyday
lives.
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TRECHO 16 · PÁGINA FÍSICA 23
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Por fim, a spintrônica metálica e suas aplicações discutidas neste relatório baseiam-se todas em fenômenos físicos já bem estabelecidos, como a GMR e o STT. Como o campo da spintrônica ainda está em um estado de relativa infância, é provável que fenômenos novos e mais empolgantes sejam descobertos no futuro.
6. Referências
(1) Baibich, M. N., et al., Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988).
(2) Binasch, G., et al., Phys. Rev. B 39, 4828 (1989).
(3) Slonczewski, J. C., J. Magn. Magn. Mater. 159, L1 (1996).
(4) Berger, L., J. Appl. Phys. 81, 4880 (1997).
(5) Tsoi, M., et al., Phys. Rev. Lett. 80, 4281 (1998).
(6) Myers, E. B., et al., Science 285, 867 (1999).
(7) Sun, J. Z., J. Magn. Magn. Mater. 202, 157 (1999).
(8) Wegrowe, J.-E., et al., Europhys. Lett. 45, 626 (1999).
(9) Tsoi, M., et al., Nature 406, 46 (2000).
(10) Beach, G. S. D., et al., Phys. Rev. Lett. 97, 057203 (2006).
(11) Beach, G. S. D., et al., Phys. Rev. Lett. 102, 067201 (2009).
(12) Fert, A., Bruno, P., em [referências bibliográficas no original], org. por J. A. C. Bland e B. Heinrich (Berlim: Springer, 1994), p. 82.
(13) Levy, P. M., em [referências bibliográficas no original], org. por H. Ehrenreich e D. Turnbull, vol. 47 (Boston, Londres: Acad. Press, 1994), p. 367.
(14) Dieny, B., J. Magn. Mag. Mat. 136, 335 (1994).
(15) Gijs, M. A. M., Bauer, G. E. W., Adv. Phys. 46, 285 (1997).
(16) Ansermet, J.-Ph., J. Phys.: Cond. Mat. 10, 6027 (1998).
(17) Bass, J., Pratt, W. P., Jr., J. Magn. Magn. Mat. 200, 274 (1999).
(18) Fert, A., Piraux, L., J. Magn. Magn. Mat. 200, 338 (1999).
(19) Gijs, M. A. M., em [referências bibliográficas no original], org. por U. Hartmann (Berlim: Springer, 2000), p. 130.
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18Nota editorial: Fecho do relatório (base física estabelecida de GMR e STT) e primeira página de referências bibliográficas.
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Finally, metallic spintronics and its applications discussed in this report are all based on
already well-established physical phenomena such as GMR and STT. As the spintronics
field is still in a relative state of infancy, new and more exciting phenomena are likely to
be uncovered in the future.
6. References
(1) Baibich, M. N., et al., Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988).
(2) Binasch, G., et al., Phys. Rev. B 39, 4828 (1989).
(3) Slonczewski, J. C., J. Magn. Magn. Mater. 159, L1 (1996).
(4) Berger, L., J. Appl. Phys. 81, 4880 (1997).
(5) Tsoi, M., et al., Phys. Rev. Lett. 80, 4281 (1998).
(6) Myers, E. B., et al., Science 285, 867 (1999).
(7) Sun, J. Z., J. Magn. Magn. Mater. 202, 157 (1999).
(8) Wegrowe, J.-E., et al., Europhys. Lett. 45, 626 (1999).
(9) Tsoi, M., et al., Nature 406, 46 (2000).
(10) Beach, G. S. D., et al., Phys. Rev. Lett. 97, 057203 (2006).
(11) Beach, G. S. D., et al., Phys. Rev. Lett. 102, 067201 (2009).
(12) Fert, A., Bruno, P., in Ultrathin Magnetic structures II: An Introduction to the
Electronic, Magnetic and Structural Properties, ed. by J.A.C. Bland and B. Heinrich
(Berlin: Springer, 1994), p.82.
(13) Levy, P. M., in Solid State Physics, ed. by H. Ehrenreich and D. Turnbull, vol. 47
(Boston, London: Acad. Press, 1994), p.367.
(14) Dieny, B., J. Magn. Mag. Mat. 136, 335 (1994).
(15) Gijs, M. A.M., Bauer, G. E. W., Adv. Phys. 46, 285 (1997).
(16) Ansermet, J.-Ph., J. Phys.: Cond. Mat. 10, 6027 (1998).
(17) Bass, J., Pratt, W. P., Jr., J. Magn. Magn. Mat. 200, 274 (1999).
(18) Fert, A., Piraux, L., J. Magn. Magn. Mat. 200, 338 (1999).
(19) Gijs, M. A.M., in Magnetic Multilayers and Giant Magnetoresistance: Fundamentals
and Industrial Applications, ed. by U. Hartmann (Berlin: Springer, 2000), p.130.
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TRECHO 17 · PÁGINA FÍSICA 24
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)
(20) Coehoorn, P., em [referências bibliográficas no original], org. por U. Hartmann (Berlim: Springer, 2000), p. 65.
(21) Barthelemy, A., Fert, A., e Petroff, F., em [referências bibliográficas no original], org. por K. H. J. Buschow (Amsterdã: Elsevier, 1999), p. 1.
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(24) Ciureanu, P., em [referências bibliográficas no original], org. por P. Ciureanu e S. Middelhoek (Institute of Physics Publishing, Bristol, 1992), p. 253.
(25) [referências bibliográficas no original], org. por R. Weil e R. G. Barradas (The Electrochemical Society, Pennington, 1981).
(26) Lashmore, D. S., Dariel, M. P., J. Electrochem. Soc. 135, 1218 (1988).
(27) Ohring, M., [referências bibliográficas no original] (Academic, Boston, 1992).
(28) Slaughter, J. M., Pratt, W. P., Jr., e Schroeder, P. A., Rev. Sci. Instrum. 60, 127 (1989).
(29) Parkin, S. S. P., More, N., e Roche, K. P., Phys. Rev. Lett. 64, 2304 (1990).
(30) Parkin, S. S. P., Bhadra, R., e Roche, K. P., Phys. Rev. Lett. 66, 2152 (1991).
(31) Fert, A., Campbell, I. A., J. de Physique 32, C1-46 (1971).
(32) Mott, N. F., Proc. Roy. Soc. London, Ser. A 153, 699 (1936), e 156, 368 (1936), e Adv. Phys. 13, 325 (1964).
(33) Pratt, W. P., Jr., et al., Phys. Rev. Lett. 66, 3060 (1991).
(34) Dieny, B., et al., J. Appl. Phys. 69, 4774 (1991).
(35) Piraux, L., et al., Appl. Phys. Lett. 65, 2484 (1994).
(36) Blondel, A., Meier, J. P., Doudin, B., Ansermet, J.-Ph., Appl. Phys. Lett. 65, 3019 (1994).
(37) Tsoi, M., Jansen, A. G. M., Bass, J., J. Appl. Phys. 81, 5530 (1997).
(38) Smith, C., [referências bibliográficas no original], Birmingham, Inglaterra, 22-23 de janeiro de 1997.
(39) Daughton, J. M., et al., IEEE Trans. Magn. 30, 4608 (1994).
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)
19Nota editorial: Continuação das referências bibliográficas (multicamadas e magnetorresistência).
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UNCLASSIFIED/ ,'POI\ orrl@IAL l:t!E 8,.L?(
(20) Coehoorn, P., in Magnetic Multilayers and Giant Magnetoresistance: Fundamentals
and Industrial Applications, ed. by U. Hartmann (Berlin: Springer, 2000), p.65.
(21) Barthelemy, A., Fert, A., and Petroff, F., in Handbook of Magnetic Materials, edited
by K. H.J. Buschow (Amsterdam: Elsevier, 1999), p.1.
(22) Tsymbal, E.Y., Pettifor, D.G., in Solid State Physics, ed. by H. Ehrenreich .and F.
Spaepen, Vol. 56 (Academic Press, 2001) pp.113-237.
(23) Ashcroft, W., Mermin, D., Solid State Physics (Saunders College Publishing, Forth
Worth, 1976).
(24) Ciureanu, P., in Thin Film Resistance Sensors, ed. by P. Ciureanu, S. Middelhoek
(Institute of Physics Publishing, Bristol, 1992), p. 2S3.
(25) Electrocrystallization, ed. by R. Weil, R. G. Barradas (The Electrochemical Society,
Pennington, 1981).
(26) Lashmore, D. S., Dariel, M. P., J. Electrochem. Soc. 135, 1218 (1988).
(27) Ohring, M., The Materials Science of Thin Films (Academic, Boston, 1992).
(28) Slaughter, J.M., Pratt, W. P., Jr., and Schroeder, P.A., Rev. Sci. Instrum. 60, 127
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(29) Parkin, S. S. P., More, N., and Roche, K. P., Phys. Rev. Lett. 64, 2304 (1990).
(30) Parkin, S.S. P., Bhadra, R., and Roche, K. P., Phys. Rev. Lett. 66, 2152 (1991).
(31) Fert, A., Campbell, I. A., J. de Physique 32, Cl -46 (1971).
(32) Mott, N. F., Proc. Roy. Soc. London, Ser. A 153, 699 (1936), and 156, 368 (1936),
and Adv. Phys. 13, 325 (1964).
(33) Pratt, W. P., Jr., et aL, Phys. Rev. Lett . 66, 3060 (1991).
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(35) Piraux, L., et al., Appl. Phys. Lett. 65, 2484 (1994).
(36) Blondel, A., Meier, J. P., Doudin, B., Ansermet, J.-Ph., Appl. Phys. Lett. 65, 3019
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(38) Smith, C., Proc. UK Conf. for Sensors, Test and Measurement Technology,
Birmingham, England, Jan . 22-23, 1997.
(39) Daughton, J. M., et al., IEEE Trans. Magn. 30, 4608 (1994).
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TRECHO 18 · PÁGINA FÍSICA 25
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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)
(40) Ji, Y., Chien, C. L., Stiles, M. D., Phys. Rev. Lett. 90, 106601 (2003).
(41) Rippard, W. H., Pufall, M. R., Kaka, S., Russek, S. E., Silva, T. J., Phys. Rev. Lett. 92, 27201 (2004).
(42) Katine, J. A., Albert, F. J., Buhrman, R. A., Myers, E. B., Ralph, D. C., Phys. Rev. Lett. 84, 3149 (2000).
(43) Grollier, J., et al., Appl. Phys. Lett. 78, 3663 (2001).
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(46) Dieny, B., et al., Phys. Rev. B 43, 1297 (1991).
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(48) Braganca, P. M., et al., Appl. Phys. Lett. 87, 112507 (2005).
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(53) Kilcoyne, A. L. D., et al., J. Synchrotron Radiat. 10, 125 (2003).
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(55) Rippard, W. H., Pufall, M. R., Kaka, S., Silva, T. J., Russek, S. E., Phys. Rev. B 70, 100406 (2004).
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(57) Schneider, T., et al., Appl. Phys. Lett. 92, 022505 (2008).
(58) Driskill-Smith, A. A. G., Huai, Y., Future Fab Intl. 23, 28 (2007).
(59) Berger, L., J. Appl. Phys. 49, 2156 (1978).
(60) Berger, L., J. Appl. Phys. 55, 1954 (1984).
(61) Berger, L., Phys. Rev. B 33, 1572 (1986).
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)
20Nota editorial: Continuação das referências bibliográficas (torque de spin, osciladores, raios X, paredes de domínio).
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(40) Ji, Y., Chien, C. L., St iles, M. D., Phys. Rev. Lett. 90, 106601 (2003).
(41) Rippard, W. H., Pufall, M. R., Kaka, S., Russek, S. E., Silva, T. J., Phys . Rev. Lett.
92, 27201 (2004 ).
(42) Katine, J. A., Albert, F. J., Buhrman, R. A., Myers, E. B., Ralph, D. C., Phys. Rev.
Lett. 84, 3149 (2000).
(43) Grollier, J., et al., Appl. Phys. Lett. 78, 3663 (2001).
(44) Liu, Y., Zhang, z., Wang, J., Freitas, P. P., Martins, J. L., J. Appl. Phys. 93, 8385
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(45) Mariya, R., Hamaya, K., Oiwa, A., Munekata, H., Jpn . J. Appl. Phys. Part 2 - Lett.
Express Lett. 43, L825 (2004) .
(46) Dieny, B., et al., Phys .Rev.B 43, 1297 (1991).
(47) Waintal, X., Myers, E. B., Brouwer, P. W., Ralph, D. C., Phys. Rev. B 62, 12317-
12327 (2000)
(48) Braganca, P.M., et al., Appl. Phys. Lett. 87, 112507 (2005).
(49) Rippard, W. H., et al., Phys. Rev. Lett . 95, 067203 (2005).
(50) Kiselev, S. I., et al ., Nature 425, 380 (2003) .
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(52) Acremann, Y., et al., Phys. Rev. Lett. 96, 217202 (2006).
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(56) Khitun, A., Nikonov, D. E., Bao, M., Galatsis, K., Wang, K. L., Nanotechnology 18,
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UNCLASSIFIED/ /iiOR OiiiilCIOL W&i ONL¥
20Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 25, contando a capa.
TRECHO 19 · PÁGINA FÍSICA 26
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(69) Grollier, J., et al., Appl. Phys. Lett. 83, 509 (2003).
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(71) Beach, G. S. D., Knutson, C., Tsoi, M., Erskine, J. L., J. Magn. Magn. Mater. 310, 2038 (2007).
(72) Hayashi, M., et al., Phys. Rev. Lett. 96, 207205 (2006).
(73) Hayashi, M., et al., Nat. Phys. 3, 21 (2007).
(74) Klaui, M., et al., Appl. Phys. Lett. 83, 105 (2003).
(75) Kimura, T., Otani, Y., Yagi, I., Tsukagoshi, K., Aoyagi, Y., J. Appl. Phys. 94, 7226 (2003).
(76) Vernier, N., Allwood, D. A., Atkinson, D., Cooke, M. D., Cowburn, R. P., Europhys. Lett. 65, 526 (2004).
(77) Laufenberg, M., et al., Phys. Rev. Lett. 97, 046602 (2006).
(78) Thomas, L., et al., Nature 443, 197 (2006).
(79) Yamaguchi, A., et al., Phys. Rev. Lett. 92, 077205 (2004).
(80) Yamaguchi, A., et al., Phys. Rev. Lett. 96, 179904 (2006).
(81) Klaui, M., et al., Phys. Rev. Lett. 95, 026601 (2005).
(82) Meier, G., et al., Phys. Rev. Lett. 98, 187202 (2007).
(83) Parkin, S. S. P., Hayashi, M., Thomas, L., Science 320, 190 (2008).
(84) Nunez, A. S., et al., Phys. Rev. B 73, 214426 (2006).
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)
21Nota editorial: Continuação das referências bibliográficas (paredes de domínio, memória racetrack e teoria antiferromagnética).
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UNCLASSIFIED/ /fOft Offl@IAL ~SE 8P.L?f
(62) Berger, L., J. Appl. Phys. 63, 1663 (1988).
(63) Freitas, P. P., Berger, L., J. Appl. Phys. 57, 1266 (1985).
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(68) Tsol, M., Fontana, R. E., Parkin, S. S. P., Appl. Phys. Lett. 83, 2617 (2003) .
(69) Grollier, J., et al., Appl. Phys. Lett. 83, 509 (2003).
(70) Beach, G. S. D., Nistor, C., Knutson, C., Tsoi, M., Erskine, J. L., Nat. Mater. 4, 741
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(71) Beach, G. S. D., Knutson, C., Tsoi, M., Erskine, J. L., J. Magn. Magn . Mater. 310,
2038 (2007).
(72) Hayashi, M., et al., Phys. Rev. Lett. 96, 207205 (2006).
(73) Hayashi, M., et al., Nat. Phys. 3, 21 (2007).
(74) Klaui, M., et al., Appl. Phys. Lett. 83, 105 (2003).
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(76) Vernier, N., Allwood, D. A., Atkinson, D., Cooke, M. D., Cowburn, R. P., Europhys.
Lett. 65, 526 (2004).
(77) Laufenberg, M., et al., Phys . Rev. Lett. 97, 046602 (2006).
(78) Thomas, L., et al., Nature 443, 197 (2006).
(79) Yamaguchi, A., et al., Phys. Rev. Lett. 92, 077205 (2004).
(80) Yamaguchi, A., et al., Phys. Rev. Lett. 96, 179904 (2006).
(81) Klaui, M., et al., Phys . Rev . Lett. 95, 026601 (2005).
(82) Meier, G., et al., Phys. Rev. Lett. 98, 187202 (2007).
(83) Parkin, S. S. P., Hayashi, M., Thomas, L., Science 320, 190 (2008).
(84) Nunez, A. S., et al., !Phys. Rev. B 73, 214426 (2006).
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21Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 26, contando a capa.
TRECHO 20 · PÁGINA FÍSICA 27
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)
(85) Xu, Y., Wang, S., Xia, K., Phys. Rev. Lett. 100, 226602 (2008).
(86) Gomonay, H., Loktev, V., Low Temp. Phys. 34, 198 (2008).
(87) Wei, Z., Sharma, A., Bass, J., Tsoi, M., J. Appl. Phys. 105, 07D113 (2009).
(88) Meiklejohn, W. H., Bean, C. P., Phys. Rev. 102, 1413 (1956).
(89) Stohr, J., Siegmann, H. C., [referências bibliográficas no original] (Springer Series in Solid-State Sciences, vol. 152, Springer, 2006).
(90) Urazhdin, S., Chien, C. L., Guslienko, K. Y., Novozhilova, L., Phys. Rev. B 73, 054416 (2006).
(91) Wei, Z., et al., Phys. Rev. Lett. 98, 116603 (2007).
(92) Urazhdin, S., Anthony, N., Phys. Rev. Lett. 99, 046602 (2007).
(93) Tang, X.-L., Zhang, H.-W., Su, H., Zhong, Z.-Y., Jing, Y.-L., Appl. Phys. Lett. 91, 122504 (2007).
(94) Dai, N. V., et al., Phys. Rev. B 77, 132406 (2008).
(95) Basset, J., Sharma, A., Wei, Z., Bass, J., Tsoi, M., Proc. SPIE 7036, 703605 (2008).
(96) Wei, Z., Basset, J., Sharma, A., Bass, J., Tsoi, M., J. Appl. Phys. 105, 07D108 (2009).
(97) Moore, G. E., Electronics Magazine (McGraw Hill, Nova York, 1965).
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)
22Nota editorial: Última página: fim das referências bibliográficas.
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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFIElIAk WSE OPtkY
(85) Xu, Y., Wang, S., Xia, K., Phys. Rev. Lett. 100, 226602 (2008).
(86) Gomonay, H., Loktev, V., Low Temp. Phys. 34, 198 (2008).
(87) Wei, Z., Sharma, A., Bass, J., Tsoi, M., J. Appl. Phys. 105, 07D113 (2009).
(88) Meiklejohn, W. H., Bean, C. P., Phys. Rev. 102, 1413 (1956).
(89) Stohr, J., Siegmann, H. C., Magnetism: from fundamentals to nanoscale dynamics
(Springer Series in Solid-State Sciences, Vol. 152, Springer, 2006).
(90) Urazhdin, S., Chien, C. L., Guslienko, K. Y., Novozhilova, L., Phys. Rev. B 73,
054416 (2006).
(91) Wei, Z., et al., Phys. Rev. Lett. 98, 116603 (2007).
(92) Urazhdin, S., Anthony, N., Phys. Rev. Lett. 99, 046602 (2007).
(93) Tang, x.-L., Zhang, H.-w., Su, H., Zhong, z.-Y., Jing, Y.-L., Appl. Phys. Lett. 91,
122504 (2007).
(94) Dai, N. V., et al., Phys. Rev. B 77, 132406 (2008).
(95) Basset, J., Sharma, A., Wei, Z., Bass, J., Tsoi, IM., Proc. SPIE 7036, 703605
(2008).
(96) Wei, Z., Basset, J., Sharma, A., Bass, J., Tsoi, IM., J. Appl. Phys. 105, 07D108
(2009).
(97) Moore,
G. E., Electronics Magazine (McGraw Hill, New York, 1965).
UNCLASSIFIED/ /FOR AfiFIClt ... Wili QNLY
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TRECHO 21 · PÁGINA FÍSICA 3
página inteira
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Sumário
1. Introdução ........ iv
2. Magnetorresistência gigante ........ 1
2.1 Fundamentos da GMR ........ 1
2.2 Aplicações da GMR ........ 3
3. Torque de transferência de spin ........ 4
3.1 Fundamentos do STT ........ 4
3.2 Experimentos de STT ........ 7
3.3 Aplicações do STT ........ 10
3.4 Movimento de paredes de domínio magnético movido por STT ........ 12
4. Spintrônica metálica antiferromagnética ........ 12
4.1 GMR antiferromagnética ........ 13
4.2 STT antiferromagnético ........ 14
5. Resumo e conclusões ........ 16
6. Referências ........ 18
Figuras
Figura 1. Em uma multicamada magnética, várias camadas atômicas de material magnético alternam-se com camadas de material não magnético ........ 1
Figura 2. Resistência de uma multicamada magnética R em função do campo magnético ........ 2
Figura 3. Resistência diferencial dV/dI de um contato pontual mecânico em função da corrente, para uma série de campos magnéticos ........ 4
Figura 4. Esquemas dos dispositivos dos experimentos de STT ........ 5
Figura 5. Imagem qualitativa do STT ........ 6
Figura 6. Torques sobre um momento magnético em um campo magnético e sujeito a uma corrente elétrica ........ 7
Figura 7. Comutação magnética movida por torque de spin ........ 8
Figura 8. Tensão oscilatória ........ 9
Figura 9. Imagens de microscopia de raios X de transmissão por varredura ........ 10
Figura 10. Célula MRAM convencional ........ 11
Figura 11. Conceito de memória de pista de corrida (racetrack) ........ 12
Figura 12. Esquema do contato pontual com a geometria da amostra ........ 15
iii
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)Nota editorial: Sumário e lista de figuras do estudo.
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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFIEJIAI:: WSE 0Ptl::1f
Contents
1. Introduction ...................................................................................................... iv
2. Giant Magnetoresistance .................................................................................... 1
2.1 GMR Basics ......................................................................................... 1••········· 1
2.2 GMR Applications ............................................................................ ............ 3
3. Spin-Transfer-Torque ......................................................................................... 4
3.1 STT Basics ....................................................................................... .,........... 4
3.2 STT Experiments ..... ............................................................................. ............. 7
3.3 STT Applications ........................................................................ .... ..... ........... 10
3.4 STT-Driven Motion of Magnetic Domain Walls ................................. .......... 12
4, Antiferromagnetic Metal Spintronics ............................................................... 12
4.1 Antiferromagnetic GMR ......... ,............ ., ............................................ ........... 13
4.2 Antiferromagnetic STT..................................................................... .. ........ 14
5. Summary and Conclusions ............................................................................... 16
6. References ............................................................................................. .,......... 18
Figures
Figure 1. In a Magnetic Multilayer, Several Atomic Layers of Magnetic Material
Alternate With Layers of Nonmagnetic Material ...................................... 1
Figure 2. Resistance of a Magnetic Multilayer R Versus Magnetic Field ...... ............ 2
Figure 3. Differential Resistance dV/dI of a Mechanical Point Contact as a Function
of Current for a Series of Magnetic Fields ................................................ 4
Figure 4. Device Schematics for STT Experiments ................................................. 5
Figure 5. Qualitative Picture of STT ....................................................................... 6
Figure 6. Torques on a Magnetic Moment in a Magnetic Field and Subject to an
Electrical Current ......................................................................... , 1••••••••••• 7
Figure 7. Spin-Torque-Driven Magnetic Switching ...................................... ............ 8
Figure 8. Oscillatory Voltage .................................................................................. 9
Figure 9. Scanning Transmission X-ray Microscopy Images ....................... .......... 10
Figure 10. Conventional MRAM Cell ............................................................. .......... 11
Figure 11. Racetrack Memory Concept .................................................................. 12
Figure 12. Schematic of Point Contact to Sample Geometry ....................... .......... 15
iii
UNCLASSIFIED/ /FOA 8FFIGIAI:: WSE OPtl::lfConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 3, contando a capa.
TRECHO 22 · PÁGINA FÍSICA 4
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Spintrônica Metálica
1. Introdução
O ritmo rápido de progresso da indústria de computadores nos últimos 40 anos baseou-se na miniaturização de chips e de outros componentes de computador. Miniaturizar mais, porém, enfrenta sérios desafios, por exemplo a dissipação de potência cada vez mais alta. Para manter o ritmo, a indústria precisa ir além de melhorias incrementais e adotar tecnologias radicalmente novas. Surgiu uma promissora tecnologia em escala nanométrica conhecida como spintrônica (neologismo para "eletrônica baseada em spin"). A spintrônica refere-se ao papel que o spin do elétron desempenha na física do estado sólido. Os pesquisadores de spintrônica buscam desenvolver uma classe nova e revolucionária de dispositivos eletrônicos baseados no spin dos elétrons, além da carga. Nos dispositivos spintrônicos, a informação é transportada não pela carga do elétron, como nos microchips convencionais, mas pelo spin intrínseco do elétron. Mudar o spin de um elétron é mais rápido e exige menos energia do que movê-lo. Portanto, se fosse possível encontrar um modo confiável de controlar e manipular spins, os dispositivos spintrônicos poderiam oferecer maiores velocidades de processamento de dados, menor consumo de eletricidade e muitas outras vantagens sobre os chips convencionais, talvez incluindo a capacidade de realizar cálculos quânticos radicalmente novos.
A spintrônica em sistemas ferromagnéticos se constrói sobre um conjunto complementar de fenômenos em que a configuração magnética do sistema influencia suas propriedades de transporte e vice-versa. Os fenômenos de magnetorresistência gigante (GMR) (Referências 1, 2) e de torque de transferência de spin (STT) (Referências 3 a 5) exemplificam essas interconexões em multicamadas compostas de camadas ferromagnéticas (F) e não magnéticas (N). A física e as aplicações da spintrônica metálica são discutidas neste relatório da perspectiva desses dois fenômenos. A GMR, cuja pesquisa foi premiada com o Prêmio Nobel de Física em 2007, refere-se a uma grande mudança na resistência de multicamadas magnéticas quando a orientação relativa dos momentos magnéticos de suas camadas ferromagnéticas constituintes é alterada por um campo magnético aplicado. O efeito inverso, o STT, em que uma grande densidade de corrente elétrica j pode perturbar o estado magnético de uma multicamada, também foi previsto (Referências 3, 4) e observado em experimentos de reversão e precessão da magnetização induzidas por corrente (Referências 5 a 9) e de movimento de paredes de domínio magnético (Referências 10, 11).
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)
ivNota editorial: Introdução: spintrônica metálica, magnetorresistência gigante (GMR) e torque de transferência de spin (STT).
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UNCLASSIFIED/ /POK orr1e1At tt!I!! er~LY
Metallic Spintroni ·cs
1. Introduction
The rapid pace of progress in the computer industry over the past 40
years has been based on the miniaturization of chips and other
computer components. Further miniaturization, however, faces
serious challenges-for example, increasingly high power dissipation.
To continue on pace, the industry must g,o beyond incremental
improvements and embrace radically new technologies. A promising
nanoscale technology known as spintronics (a neologism for "spin
based electronics"} has emerged. Spintronics refers to the role an
electron spin plays in solid-state physics. Spintronics researchers
aim to develop a revolutionary new class of electronic devices based
on the spin of electrons in addition to the charge. In spintronic
devices, information is carried not by the electron's charge, as in
conventional microchips, but by the electron's intrinsic spin.
Changing the spin of an electron is faster and requires less power
than moving it. Therefore, if a reliable way could be found to control
and manipulate spins, spintronic devices could offer higher data
processing speeds, lower electricity consumption, and many other
advantages over conventional chips, perhaps including the ability to
carry out radically new quantum computations.
Spintronics in ferromagnetic systems is built on a complementary
set of phenomena in which the magnetic configuration of the system
influences its transport properties and vice versa. Giant
magnetoresistance (GMR} (Reference 1, 2} and spin-transfer-torque
(STT} (Reference 3-5} phenomena exemplify such interconnections
in multilayers composed of ferromagnetic (F} and nonmagnetic (N)
layers. The physics and applications of metallic spintronics are
discussed in this report from the perspec :tive of these two
phenomena. GMR, research on which was awarded the Nobel Prize in
Physics in 2007, refers to a large change in resistance of magnetic
multilayers when the relative orientation of magnetic moments in
their constituent ferromagnetic layers is altered by an applied
magnetic field. The inverse effect, STT, in which a large electrical
current density j can perturb the magnetic state of a multilayer, has
also been predicted (Reference 3, 4} and observed in experiments on
current-induced reversal and precession of magnetization
(Reference 5-9} and magnetic domain wall motion (Reference 10,
11}.
UNCLASSIFIED/ }FOR OFFICiI.ALi !9&i ODIL;¥
ivConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 4, contando a capa.
TRECHO 23 · PÁGINA FÍSICA 5
página inteira
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A spintrônica é um campo de pesquisa amplo, com (atualmente) três grandes subcampos: (1) a pesquisa de materiais, que tenta criar novos materiais que sejam ao mesmo tempo magnéticos e semicondutores; (2) a pesquisa de novos efeitos de magnetotransporte em metais ferromagnéticos; e (3) a pesquisa de técnicas que possam ser usadas para manipular spins de elétrons individuais. O primeiro subcampo visa os semicondutores magnéticos porque dispositivos baseados nesses materiais seriam os mais fáceis de integrar à atual tecnologia de dispositivos semicondutores e às capacidades de processamento. No entanto, apesar de pesquisas extensas, a maioria dos dispositivos spintrônicos semicondutores ainda são conceitos teóricos à espera de demonstrações experimentais. Este relatório se concentra na pesquisa em spintrônica em sistemas metálicos, no âmbito do segundo e do terceiro subcampos. O segundo subcampo viveu nos últimos 20 anos um período sem precedentes de novas descobertas, incluindo a da GMR, e já provocou uma grande mudança tecnológica na indústria de armazenamento de informação, com o uso de sensores e cabeças de leitura de GMR. O terceiro subcampo é vital para os dispositivos spintrônicos, pois praticamente todo processamento de informação nesses dispositivos está associado ao transporte e à manipulação de spins.
São altamente desejáveis métodos novos e eficientes de manipular spins, que estimulam programas de pesquisa ativos em spintrônica em grande número de instituições acadêmicas e em meia dúzia de laboratórios de pesquisa industriais no mundo todo. O prêmio a ser conquistado é o controle e a manipulação ativos de distribuições de spin (momentos magnéticos) para funcionalidade nova e melhorada em dispositivos eletrônicos/spintrônicos. A confluência de ciência básica intensa e de interesse da indústria pela spintrônica em metais ferromagnéticos não ocorria nessa escala na física havia muito tempo.
O relatório está organizado assim: a Seção 2 é dedicada aos efeitos de magnetotransporte em sistemas magnéticos em que a configuração magnética pode influenciar as propriedades de transporte do sistema. Discute a GMR em multicamadas magnéticas e fenômenos relacionados, destaca os princípios físicos básicos responsáveis pela GMR e descreve as aplicações tecnológicas do efeito. A Seção 3 trata da conexão inversa entre a configuração magnética do sistema e suas propriedades de transporte, o chamado efeito STT. Discutem-se a origem física e as aplicações potenciais. A Seção 4 discute outras novas direções na spintrônica metálica, com foco particular na spintrônica com materiais antiferromagnéticos. A Seção 5 resume, com olhos no futuro, o desenvolvimento das tecnologias spintrônicas e suas aplicações aeroespaciais.
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)
vNota editorial: Os três subcampos da spintrônica, o foco do relatório nos metais e a organização das seções.
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UNCLASSIFIED/ /&OA QFFI&IAL l:t!II!! er•t I
Spintronics is a broad research field with (currently) three major
subfields: (1) materials research that is attempting to create new
materials that are both magnetic and semiconductors, (2) research
on novel magnetotransport effects in ferromagnetic metals, and (3)
research on techniques that can be used to manipulate individual
electron spins. The first subfield is targeting magnetic
semiconductors because devices based on such materials would be
the easiest to integrate with the present semiconductor device
technology and processing capabilities. However, despite extensive
research, most semiconductor spintronic devices are still theoretical
concepts awaiting experimental demonstrations. This report focuses
on spintronics research in metallic systems within the scope of the
second and third subfields. The second subfield has experienced an
unprecedented period of new discovery over the past 20 years,
including the discovery of GMR, and has already spawned major
technological change in the information storage industry with the
use of GMR sensors and read heads. The third subfield is vital for
spintronic devices, as virtually any processing of information in such
devices is associated with transport and manipulation of spins.
New and efficient methods for manipulating spins that stimulate
active research programs in spintronics at a large number of
academic institutions and a half-dozen industrial research labs
around the world are highly desirable. The prize to be gained is
active control and manipulation of spin distributions (magnetic
moments) for new and improved functionality in
electronic/spintronic devices. The confluence of intense basic
science and industry interest in ferromagnetic metal spintronics has
not occurred on this scale in physics in a long time.
The report is arranged as follows: Section 2 is dedicated to
magnetotransport effects in magnetic systems where magnetic
configuration can influence the system's transport properties. It
discusses GMR in magnetic multilayers and related phenomena,
highlights basic physical principles responsible for GMR, and
describes technological applications of the effect. Section 3 focuses
on the reverse connection between the system's magnetic
configuration and its transport properties-the so-called STT effect.
The physical origin and potential applications are discussed. Section
4 discusses other new directions in metallic spintronics, with a
particular focus on spintronics with antiferromagnetic materials.
Section 5 summarizes, with an eye to the future, the development of
spintronic technologies and their aerospace applications.
UNCLASSIFIED/ /FOR OFFIGIAk Wii SU•k¥
VConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 5, contando a capa.
TRECHO 24 · PÁGINA FÍSICA 6
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2. Magnetorresistência gigante
2.1 FUNDAMENTOS DA GMR
Esta seção discute o fenômeno da magnetorresistência gigante (GMR). Há excelentes revisões da GMR em outras fontes (Referências 12 a 22). Concentra-se aqui nos conceitos físicos importantes para as seções seguintes.
A GMR em multicamadas magnéticas refere-se a uma redução dramática da resistência das multicamadas quando submetidas a um campo magnético externo. O tamanho da GMR é geralmente definido como a variação da resistência no campo magnético em relação ao seu valor de pico. O efeito pode ser distinguido da magnetorresistência (MR) comum, que vem da ação direta do campo magnético sobre as trajetórias dos elétrons por meio da força de Lorentz (Referência 23), e da MR anisotrópica, que vem da dependência da resistividade em relação à orientação relativa entre o momento magnético e a corrente (Referência 24).
Para preparar as multicamadas magnéticas, em que várias camadas atômicas de um material (ferromagnético) alternam-se com camadas de outro material (não magnético) (ver Figura 1), foi usada uma grande variedade de métodos de deposição, como técnicas de deposição eletroquímica (Referências 25, 26) e várias técnicas de deposição a vácuo (Referências 27, 28). Estas últimas se dividem principalmente entre dois métodos, que usam sistemas de deposição por pulverização catódica (sputtering) ou de epitaxia por feixe molecular (MBE). A deposição por pulverização envolve arrancar de um alvo, por bombardeamento de partículas, os átomos do material de interesse, seguido da deposição de átomos de alta energia (aproximadamente 2 a 30 elétron-volts [eV]) sobre o substrato. Uma vantagem fundamental da deposição por pulverização é a facilidade com que muitos materiais diferentes podem ser depositados em taxas de deposição relativamente altas. Em contraste, as taxas de deposição nos sistemas MBE costumam ser muito menores que nos de pulverização, mas as energias muito mais baixas (cerca de 0,1 eV) do material evaporado tornam essa técnica favorável ao crescimento de filmes monocristalinos altamente orientados. A observação original da GMR (Referência 1) foi feita em multicamadas de ferro-cromo (Fe/Cr) crescidas por MBE, com cristalinidade quase perfeita. Posteriormente, com amostras produzidas por pulverização, que crescem muito mais rápido que as de MBE, foi possível não só reproduzir esses resultados, mas também observar oscilações na magnetorresistência quando se variava a espessura das camadas espaçadoras não magnéticas (Referência 29). Estudos posteriores
[Figura 1: esquema de uma multicamada, com as indicações "Corrente no plano" e "Corrente perpendicular ao plano".]
Figura 1. Em uma multicamada magnética, várias camadas atômicas de material magnético (mostradas em cinza) alternam-se com camadas de material não magnético (mostradas em branco). A GMR ocorre em uma de duas geometrias diferentes: (1) quando a corrente flui no plano das camadas (geometria CIP) ou (2) quando a corrente flui perpendicularmente às camadas (geometria CPP).
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)
1Nota editorial: Fundamentos da magnetorresistência gigante (GMR): multicamadas, métodos de deposição e a observação original em ferro/cromo.
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UNCLASSIFIED/ /fOlt Offl@IAL ~91! OHL¥
2. Giant Magnetoresistance
2.1 GMR BASICS
This section discusses the phenomenon of giant magnetoresistance (GMR). Excellent
reviews of GMR are available elsewhere (Reference 12-22). The focus on physical
concepts important for the sections to follow are discussed.
GMR in magnetic multilayers refers to a dramatic reduction in the resistance of the
multilayers when subjected to an external magnetic field. GMR's size is usually defined
as the resistance change in magnetic field relative to its peak value. The effect can be
distinguished from the ordinary magnetoresistance (MR) coming from the direct action
of the magnetic field on the electron trajectories via the Lorentz force (Reference 23),
and from the anisotropic MR, which comes from dependence of the resistivity on the
relative orientation of magnetic moment to the current (Reference 24 ).
To prepare the magnetic multilayers,
where several atomic layers of one
(ferromagnetic) material alternate by
layers of another (nonmagnetic)
material (see Figure 1), a wide variety
of deposition methods have been used,
such as electrochemical deposition
techniques (Reference 25, 26) and
various vacuum deposition techniques
(Reference 27, 28). The latter shares
mainly between two methods using
either sputter deposition or molecular
beam epitaxy (MBE) systems. Sputter
deposition involves knocking off the
atoms of the material of interest from a
target by particle bombardment,
followed by the deposition of high
energetic atoms (N2-30 electronvolts
[eV]) onto the substrate. A principal
advantage of sputter deposition is the
ease with which many different
materials can be deposited at relatively
high deposition rates. In contrast,
deposition rates in MBE systems are
usually much lower than for sputtering
systems, but much lower energies
(~0.1 eV) of the evaporated material
Current
In
the Plane
Current
Perpendicular
to the Plane
Figure 1. In a Magnetic Multilayer, Several Atomic
Layers of Magnetic Material (shown In grey)
Alternate With Layers of Nonmagnetic Material
(shown in white). GMR occurs in one of two different
geometries : (1) when the current flows in the plane (CIP
geometry) of the layers or (2) when the current flows
perpendicular (CPP geometry) to the layers.
make this technique favorable for growth of highly oriented single-crystalline films.
The original observation of GMR (Reference 1) was made on MBE grown iron-chromium
(Fe/Cr) multilayers with nearly perfect crystal linity. Subsequently, by using sputtered
samples that are grown much more rapidly than MBE samples, it was possible not only
to reproduce these results but also to observe oscillations in the magnetoresistance as
the th ickness of the nonmagnetic spacer layers was varied (Reference 29). Subsequent
UNCLASSIFIED/ /FOR OFFIGI.t.b W&& &PtblJ
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TRECHO 25 · PÁGINA FÍSICA 7
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(Referência 30) com multicamadas de cobalto-cobre (Co/Cu) produzidas por pulverização revelaram magnetorresistências, à temperatura ambiente, de 3 a 4 vezes maiores que as do ferro-cromo e 13 vezes maiores que as dos filmes de permalloy que eram usados como sensores magnetorresistivos em cabeças de leitura magnéticas naquela época. Os números muito mais altos observados nas multicamadas magnéticas predeterminaram o destino da GMR na tecnologia de gravação magnética.
O entendimento atual é que a GMR observada em multicamadas magnéticas decorre da dependência da resistividade em relação à sua configuração magnética interna e do papel do campo magnético externo em mudar essa configuração. A Figura 2b ilustra a GMR no limite simples em que o livre caminho médio dos elétrons é muito maior que as espessuras das camadas. As propriedades de transporte elétrico do sistema são descritas em termos do chamado modelo de duas correntes (Referência 31), baseado na sugestão de Mott (Referência 32) de que, em temperaturas inferiores à temperatura de Curie, os elétrons de spin para cima e de spin para baixo serão quase independentes e transportarão corrente em paralelo. Os elétrons são espalhados com muito mais força por uma camada magnética se eles e o spin da magnetização local apontam em direções opostas, e não na mesma (R > r). Por simplicidade, a figura é desenhada com espalhamento apenas nas interfaces; no entanto, há também espalhamento dentro das camadas. Em campo magnético zero, em que as magnetizações de camadas magnéticas adjacentes estão alinhadas de forma antiparalela, por exemplo por causa do acoplamento de troca entre as camadas (Referência 29), os elétrons de spin para baixo são pouco espalhados na camada F1, mas muito espalhados em F2. Em contraste, os elétrons de spin para cima são pouco espalhados na camada F2, mas muito espalhados em F1. Como resultado, os dois canais são equivalentes, levando a uma resistência total, nessa configuração "antiferromagnética", de R_AF = (R + r)/2 (ver o circuito de resistências correspondente na Figura 2c).
[Figura 2: (a) gráfico de resistência R em função do campo magnético, com os valores R_AF, R_F e o campo de saturação B_s; (b) esquemas das camadas F1 e F2 com setas de spin e resistências R e r; (c) circuitos de resistências equivalentes.]
Figura 2. (a) Resistência R de uma multicamada magnética em função do campo magnético. (b) Origem da GMR em termos de espalhamento de elétrons dependente do spin: F1 e F2 são camadas ferromagnéticas com uma camada não magnética entre elas. Em campo magnético zero, as magnetizações em F1 e F2 estão alinhadas de forma antiparalela (painel central) e podem ser comutadas para a orientação paralela por um campo aplicado. (c) Os circuitos de resistências equivalentes correspondentes às três configurações magnéticas mostradas em (b). Ver o texto para detalhes.
Quando as magnetizações das duas camadas F são colocadas em configuração paralela por um campo magnético aplicado, os elétrons de spin para cima são pouco espalhados nas duas camadas e formam um canal de baixa resistividade, enquanto os elétrons de spin para baixo são muito espalhados em todas as camadas e formam um canal de alta resistividade. A inversão do campo magnético apenas troca os papéis dos canais de spin para cima e spin para baixo. O desvio da corrente pelo canal de baixa resistividade produz uma resistência total baixa, R_F = 2Rr/(R + r), nessa configuração "ferromagnética". O tamanho da GMR é definido como (R_AF − R_F)/R_AF = (R −
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2Nota editorial: Modelo de duas correntes de spin que explica a GMR e comparação entre multicamadas de cobalto/cobre e ferro/cromo.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ ,'FOA OFFIQI.•.k Wili Qralk¥
studies (Reference 30) on sputtered cobalt-copper (Co/Cu) multilayers revealed
magnetoresistances at room temperatures 3 to 4 times larger than those for iron
chromium and 13 times greater than those for the permalloy films that were used as
magnetoresistive sensors in magnetic reading heads at that time. The much higher
numbers observed in magnetic multilayers predetermined the fate of GMR in magnetic
recording technology.
The current understanding is that GMR
observed in magnetic multilayers arises
from the dependence of the resistivity
on their internal magnetic configuration
and the role of the external magnetic
field to change this configuration. Figure
2b illustrates GMR in the simple limit
where the electron mean-free-path is
much longer than the layer thicknesses.
The electrical transport properties of the
system are described in terms of the so
called two-current model (Reference
31), based on the suggestion by Mott
(Reference 32) that, at temperatures
lower than the Curie temperature, the
spin-up and spin-down electrons will be
almost independent and carry current in
parallel. Electrons are much more
strongly scattered by a magnet ic layer if
they and the local magnetization spin in
opposite rather than the same direction
(R > r). For simplic ity, the figure is
drawn with scattering only at interfaces;
however, there is also scattering within
the layers. At zero magnetic field,
where the magnetizations of adjacent
magnetic layers are aligned
antiparallel-for example, because of
exchange coupling between the layers
(Reference 29)-the spin-down
electrons are weakly scattered in layer
R
Bs
J RF ----
0
Magnetic Field
F1 F2 F1 F2
l l ' t - -
t R R t R r t r r
~ ioo}t r r wR R R
Figure 2. (a) Resistance of a magnetic multilayer R
versus magnetic field. {b) Origin of GMR in terms of
spin-dependent electron scattering: F1 aInd F2 are
ferromagnetic layers with a nonmagnetic layer in
between. At zero magnetic field, the magnetizations
in F1 and F2 are aligned antiparallel (center panel)
and can be switched to parallel orientation by an
applied field. (c) The equivalent resistance circuits
corresponding to the three magnetic configurations
shown in (b). See text for details.
Fl but strongly scattered in F2. In contrast, the spin-up electrons are weakly scattered
in layer F2 but strongly scattered in FL As a result, two channels are equivalent,
leading to a total resistance in this "antiferromagnetic" configuration RAF= (R+r)/2 (see
the corresponding resistance circuit in Figure 2c).
When the magnetizations of the two F layers are set into parallel configuration by an
applied magnetic field, the spin-up electrons are weakly scattered in both layers and
form a low-resistivity channel, whereas the spin-down electrons are strongly scattered
in all the layers and form a high-resistivity channel. The reversal of magnetic fiield just
interchanges the roles of spin-up and spin-down channels. The current's shunting by
the low-resistivity channe'I produces a low total resistance RF= 2Rr/(R +r) in this
"ferromagnetic" configuration . The size of the GMR is defined as (RAF-RF)/RAF = (R-
UNCLASSIFIED/ /iiOlil OiiiilCI0L: 1166 ON! X
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r)²/(R + r)² ≤ 1. A outra definição, ΔR/R = (R_AF − R_F)/R_F = (R − r)²/4Rr (sem limite superior), também é usada. A Figura 2a mostra uma curva de magnetorresistência típica de multicamadas magnéticas. A resistência é constante, no valor mínimo R_F, acima de um campo de saturação B_s (F paralelos) e sobe a um valor máximo R_AF à medida que o campo magnético aplicado B se aproxima de zero (F antiparalelos).
A GMR ocorre em duas geometrias diferentes (ver Figura 1): a saber, quando a corrente flui no plano das camadas, ou geometria CIP, ou quando a corrente flui perpendicularmente às camadas, ou geometria CPP. A maioria dos experimentos de GMR é realizada na geometria CIP porque medir a resistência bastante grande de um filme fino é muito fácil (o comprimento do filme costuma ser ordens de grandeza maior que sua espessura). Os experimentos na geometria CPP são mais difíceis (Referência 33) e exigem técnicas especiais para a medição de precisão de resistências muito pequenas, de aproximadamente 10⁻⁷ a 10⁻⁸ Ω, resultantes da geometria "curta e larga" de uma amostra "larga" de 1 mm² e "comprida" de 1 µm. Para aumentar as resistências até valores facilmente observáveis, podem-se usar técnicas de microfabricação para reduzir a área de seção transversal da amostra (Referências 34 a 36). Por fim, uma técnica simples e barata de contato pontual (Referência 37) também pode ser adequada a essa finalidade. As amostras com área de seção transversal reduzida serão de interesse para os experimentos de torque de transferência de spin apresentados na Seção 3.
2.2 APLICAÇÕES DA GMR
A GMR é usada atualmente em sensores de campo magnético, incluindo os das cabeças de leitura de discos rígidos de computadores, em isoladores galvânicos e em dispositivos de memória de acesso aleatório não volátil. A leitura de informação armazenada em discos rígidos magnéticos de computadores foi a primeira aplicação comercial em grande escala da GMR. A informação é armazenada magnetizando-se pequenas regiões (domínios magnéticos) de um disco de gravação magnética em direções diferentes. Os campos magnéticos dispersos desses domínios são detectados por um elemento sensor de GMR chamado válvula de spin. O tipo mais simples de válvula de spin consiste em duas camadas ferromagnéticas separadas por um espaçador fino e não magnético. A resistência da válvula de spin é a menor quando as magnetizações das duas camadas ferromagnéticas são paralelas e a maior quando são antiparalelas. O alinhamento antiparalelo é obtido fazendo as duas camadas responderem de modo diferente a um campo magnético externo; um antiferromagneto em contato com uma das camadas é usado para "fixar" efetivamente a magnetização dessa camada por meio de um efeito chamado "polarização de troca" (exchange bias). A responsividade excepcional das válvulas de spin a campos magnéticos possibilitou densidades de empacotamento por área muito altas nos discos rígidos.
Outras aplicações de sensores que usam elementos de GMR incluem o monitoramento da rotação de uma engrenagem ferrosa na operação de máquinas (Referência 38), por meio da detecção de um fluxo magnético variável quando um dente da engrenagem passa perto do sensor, o monitoramento de corrente elétrica por meio da detecção do campo magnético de Oersted induzido pela corrente, e a transferência de sinais de alta frequência entre circuitos isolados (Referência 39), por meio de campos magnéticos gerados por um indutor de alta frequência em um circuito e replicados em outro circuito por um sensor de GMR.
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3Nota editorial: Fim da definição da GMR, geometrias CIP e CPP e aplicações comerciais, como cabeças de leitura de discos rígidos.
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UNCLASSIFIED/ /FOA OFFl&iI.,k Wli& O,.kY
r) 2/(R+r) 2 ~ 1. The other definition ti.R/R = (RAF-RF)/RF= (R-r)2/4Rr (unbounded from
above) is also in use. Figure 2a shows a magnetoresistance curve typical for magnetic
multilayers . The resistance is constant at a minimum value RF above a saturation field
Bs (parallel Fs) and rises to a maximum value RAF as the applied magnetic field B
approaches zero (antiparallel Fs).
GMR occurs in two different geometries (see Figure 1): namely when the current flows
in the plane of the layers, or CIP geometry, or when current flows perpendicular to the
layers, or CPP geometry. Most of experiments on GMR are carried out in the CIP
geometry because measuring the fairly large resistance of a thin film is quite easy (film
length is typically orders of magnitude larger than its thickness). Experiments in the
CPP geometry are more d'ifficult (Reference 33) and require special techniques for
precision measurements of very small resistances ~10-7- 10-s Q resulting from the
"short and wide" geometry of a 1-mm2 "wide" and 1-~Lm "long" sample . In order to
increase the resistances to easily observable values, microfabrication techniques can be
used to reduce the sample's cross-sectional area (Reference 34-36). Finally, a simple
and inexpensive point -contact technique (Reference 37) may also be suitable for this
purpose. The samples with a reduced cross-sectional area will be of interest for spin
transfer-torque experiments presented in Section 3.
2.2 GMR APPLICATIONS
GMR is currently used in magnetic field sensors, including those in read heads for
computer hard drives, in galvanic isolators, and in nonvolatile random access memory
devices. Reading information stored on magnetic hard disk drives in computers was the
first large-sca le commercial application of GMR. The information is stored by
magnetizing small regions (magnetic domains) of a magnetic recording disk in different
directions. The stray magnetic fields from these domains are detected by a GMR
sensing element called spin valve. The simplest type of spin valve consists of two
ferromagnetic layers separated by a thin, nonmagnet ic spacer. The spin-valve
resistance is smallest when the magnetizations of the two ferromagnetic layers are
parallel and largest when the magneti zations are antiparallel. The antiparallel alignment
is achieved by making the two layers respond differently to an external magnetic field;
an antiferromagnet in contact with one of the layers is used to effectively "pin" the
magnetization in this layer through an effect called "exchange bias." The exceptional
responsiveness of spin valves to magnet ic fields has enabled very high areal packing
densities in hard drives.
Other sensor applications using GMR elements include monitoring of a ferrous gear
rotation in machinery operation (Reference 38) via detection of a changing magnetic
flux when a gear tooth passes near the sensor, man itoring of electrical current via
detection of the current-induced Oersted magnetic field, and transferring high
frequency signals between isolated circuits (Reference 39) via magnetic fields
generated by a high-frequency inductor in one circuit and replicated in another circuit
by a GMR sensor.
UNCLASSIFIED//5O9 AEFICI0L 11&& Q,.L¥
3Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 8, contando a capa.
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3. Torque de transferência de spin
Esta seção trata do fenômeno do torque de transferência de spin (STT), que se refere a um método novo de controlar e manipular momentos magnéticos em nanoestruturas por correntes de spin, uma das áreas de ponta e mais empolgantes da pesquisa em magnetismo hoje.
3.1 FUNDAMENTOS DO STT
A seção anterior mostrou que o estado magnético de um ferromagneto pode afetar suas propriedades de transporte elétrico; por exemplo, a orientação relativa dos momentos magnéticos em multicamadas magnéticas está na base do fenômeno da GMR (Referências 1, 2). O efeito inverso, em que uma grande densidade de corrente elétrica pode perturbar o estado magnético de uma multicamada, também foi previsto (Referências 3, 4). Aqui a corrente transfere spin vetorial entre as camadas magnéticas e induz a precessão e/ou a reversão das magnetizações das camadas. Alterar o estado magnético com correntes de spin baseia-se na interação de troca da mecânica quântica e representa um método novo de controle da magnetização na escala de comprimento do nanômetro e na escala de tempo do picossegundo.
A primeira observação desse fenômeno de transferência de spin em multicamadas magnéticas foi registrada por Tsoi et al. (Referência 5) (ver Figura 3). Nesse experimento, as excitações induzidas por transferência de spin foram produzidas injetando correntes elétricas de alta densidade em uma multicamada magnética de Co/Cu por meio de um contato pontual mecânico. Contatos pontuais menores que 10 nanômetros (nm) são formados quando um fio metálico de Cu afiado (ponta) é cuidadosamente levado ao contato com a multicamada. A área de seção transversal extremamente pequena de tal contato torna possível alcançar densidades de corrente acima de 10¹² A/m². Por seu tamanho extremamente pequeno (< 10 nm), o contato pontual é uma sonda muito eficiente das propriedades de transporte elétrico em volumes de amostra extremamente pequenos, inacessíveis a outras técnicas (por exemplo, a litografia por feixe de elétrons). Isso qualifica o contato pontual como a menor sonda de STT hoje.
[Figura 3: gráfico com a resistência diferencial dV/dI (eixo vertical, de 38 a 45) em função da corrente (eixo horizontal, de −0,03 a 0,03), para uma série de campos magnéticos; um gráfico menor mostra a corrente limiar em função do campo aplicado.]
Figura 3. Resistência diferencial dV/dI de um contato pontual mecânico em função da corrente, para uma série de campos magnéticos. O pico em dV/dI indica o início das excitações de STT. O gráfico menor mostra que a corrente limiar no pico de dV/dI aumenta linearmente com o campo aplicado. (Referência 5)
O fenômeno do STT atrai atualmente considerável atenção porque combina questões de ciência fundamental pouco compreendidas com a promessa de aplicações em uma ampla gama de tecnologias. Na tecnologia de gravação magnética de alta velocidade e alta densidade, por exemplo, o STT poderia substituir o campo de Oersted hoje usado para escrever bits magnéticos em meios de armazenamento (por exemplo, em memória magnética de acesso aleatório [MRAM]). Isso pode levar a uma memória magnética menor e mais rápida. Outra possível aplicação baseia-se na precessão da magnetização induzida por transferência de spin, que
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4Nota editorial: Início do torque de transferência de spin (STT) e primeiro experimento, com contato pontual em multicamada de cobalto/cobre (Figura 3).
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UNCLASSIFIED/ /FOA OFFl&ilAk Wlili O,.kY
3. Spin-Transfer-Torque
This section focuses on the spin-transfer-torque (STT) phenomenon, which refers to a
novel method to control and manipulate magnetic moments in nanostructures by spin
currents-one of the forefront and most exciting areas in magnetism research today.
3.1 STT BASICS
The previous section showed that the magnetic state of a ferromagnet can affect its
electrical transport properties; for instance, the relative orientation of the magnetic
moments in magnetic multilayers underlies the phenomenon of GMR (Reference 1, 2).
The inverse effect, in which a large electrical current density can perturb the magnetic
state of a multilayer, has also been predicted (Reference 3, 4). Here the current
transfers vector spin between the magnetic layers and induces precession and/or
reversal of the layer magnetizations. Altering the magnetic state with spin currents is
based on quantum mechanical exchange interaction and represents a novel method of
magnetization control on the nanometer length scale and the picosecond time scale.
45 ,---,---,---,---,---,--,,---,--~-,---,---,---,The first observation of such a spin
transfer phenomenon in magnetic
multilayers was recorded by Tsoi et al. 44
(Reference 5) (see Figure 3). In this
experiment, the spin-transfer -induced 43
excitations were produced by injecting
a 42high-density electrical currents into a -Co/Cu magnetic multilayer through a ~
mechanical point contact. Point contacts ~ 41
smaller than 10 nanometers (nm) are
formed when a sharpened Cu metal 40
wire (tip) is carefully brought into
contact with the multilayer. The 39
extremely small cross-sectional area of
38~~~~~-~~~~~~-~such a contact makes it possible to
-0.03 -0.02 -0.01 0.00 0.01 0.02 0.03achieve current densities in excess of
1012 A/m 2. Because of its extremely VM
sma ll size ( <10 nm), point contact is a Figure 3. Differential Resistance dV / di of a
very efficient probe of electrical Mechanical Point Contact as a Function of Current
transport properties in ext remely small for a Series of Magnetic Fields. The peak In dV/dl
indicates the onset of SST excitations. The inset showssample volumes inaccessible with other that the threshold current at the peak In dV/dl Increases
techniques (for example, electron linearly with the applied field. (Reference 5)
beam-lithography pattern ing). The
latter qualifies point contact as the smallest probe of STT today.
The STT phenomenon current ly attracts considerable attention because it combines
poorly understood fundamental science questions with the promise of applications in a
broad range of technologies. In high-speed, high-density magnetic recording
technology, for instance, SST could replace the Oersted field currently used for writing
magnetic bits in storage media (for example, in magnetic random access memory
[MRAM]). This may lead to a smaller and faster magnetic memory. Another possible
application is based on the spin-transfer -induced precession of magnetization, which
4
UNCLASSIFIED/ /P'Olt Offl@IAL ~SE 8PtLYConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 9, contando a capa.
Datas e contexto documental
- Acontecimento
- Não estabelecida — Não há evento observado: é um estudo técnico de revisão de conceitos.
- Documento
- 23/03/2010 — Data de 23/03/2010 e data de corte (ICOD) de 01/12/2009, na capa.
- Publicação
- Não estabelecida — A data de liberação pública não consta destas páginas.
Origem e divulgação
Defense Intelligence Agency (DIA), Defense Warning Office, Acquisition Support Division (DWO-3); programa AAWSA · DOW-UAP-D129_AAWSAP-DIRD-Metallic-Spintronics-March-23-2010.pdf
Páginas físicas 1 a 27; capa com data de 23/03/2010, expediente na p. 2, sumário na p. 3, texto principal nas pp. 4 a 23 e referências nas pp. 23 a 27.
Relatos relacionados e suas diferenças
- DIA, 2010: DIRD do AAWSAP sobre materiais para plataformas aeroespaciais
- DIA, 2010: DIRD do AAWSAP sobre supercondutores e pesquisa da gravidade
- DIA, 2009: DIRD do AAWSA sobre matéria programável
Perguntas para continuar a investigação
- Quem é o autor oculto como AAP Person 71, e por que um relatório do ano fiscal de 2009 só recebeu data de março de 2010?
- Que uso a DIA ou o AAWSA fez deste estudo, além de arquivá-lo na série de relatórios de tecnologia avançada?
- Das aplicações propostas, como a memória racetrack e a MRAM por STT, quais chegaram a produtos depois de 2010?
GEOGRAFIA DO CASO
Washington, D.C., EUA
Referência aproximada à sede da DIA, onde o relatório foi encomendado e arquivado, posicionada pela redação. Não indica local de evento observado.
RASTRO DOCUMENTAL
Volte às fontes
As referências usam páginas físicas do PDF, contando a capa. Os resumos são apresentados em português; os documentos preservam seu idioma original.
- DOW-UAP-D129_AAWSAP-DIRD-Metallic-Spintronics-March-23-2010.pdf
Páginas físicas 1 e 2 (capa e expediente), 4 e 5 (introdução), 17 (Figura 11, memória racetrack), 21 e 22 (resumo e conclusões); páginas 1 a 27 traduzidas na íntegra
DOW · 27 páginas
Síntese editorial baseada no fichamento do acervo, revista em 26/09/2026. Como lemos os documentos.


