一种通过高速加热来控制纳米尺寸磁体方向的有效技术

大阪大学的研究人员与国家先进工业科学技术研究院（AIST）和格勒诺布尔阿尔卑斯大学合作，报告了一种通过高速加热来控制纳米尺寸磁体方向的有效技术。研究人员还发现，纳米磁铁会放大微波信号。该小组的成就将有助于降低磁阻随机存取存储器（MRAM）和人工智能（AI）设备的功耗。这将使AI设备更有效地对其内存进行读写，从而抑制AI功能（如机器学习和决策）的功耗。这是迈向超级智能社会的又一步。

降低功率的信息和通信设备消耗意味着他们可以继续运行很长一段时间，即使是在发生灾害时。自旋电子学是一个广泛研究的领域，其中利用磁隧道结（MTJ）开发了MRAM技术。MRAM使用磁极的方向存储信息，因此无需等待电源即可保留内存。使用这些技术，研究人员试图减少AI设备的能耗。

通过使用较小的电流和电压来控制MTJ的磁对准，可以降低器件功耗。但是，自旋转移矩MRAM（STT-MRAM）的问题在于，当其写入速度很高时，其电压会使用大量功率迅速增加。

该研究小组发现，通过控制施加的电压来改变MTJ中的磁各向异性，可以使用比STT-MRAM少的能量来写入信息。为了使该方法可行，有必要增加压控磁各向异性的幅度。除了寻找合适的材料之外，还寻求其他改变磁各向异性的方法。

研究人员通过焦耳加热成功地在具有双重绝缘层的MTJ中引起了巨大的磁各向异性变化。随着MTJ的金属（自由）层中的温度升高，磁各向异性改变，因此变得可以改变磁极的方向。他们发现，磁各向异性取决于焦耳加热引起的偏置电压。这表明焦耳加热引起的温度升高改变了磁各向异性。当研究人员评估给定电场的磁各向异性变化的最大值时，热效应的大小为300 fJ / Vm，几乎与报告的磁各向异性快速电压控制的最大值相同（ VCMA）使用纯电子效果。尽管热效应电流比VCMA大得多，对于高速应用，它比STT更有效。另外，该值将通过改善MTJ中的加热系统而增加。

该研究小组还发现，利用巨大的磁各向异性变化，MTJ将微波放大。先前已经尝试使用微波频率磁场来进行微波放大。然而，通过常规方法获得的微波功率为0.005，并且没有放大。该小组在50 mT磁场和0.4 GHz微波频率下的微波功率反射率达到1.6。也就是说，与输入微波相比，微波放大了大约60%。

第一作者米诺利藤说，“我们的研究是利用自旋电子学器件的微波放大的第一份报告。该研究将打开的方式来开发高性能微波器件。展望未来，我们预计我们的技术将被应用到新的微波与设备高灵敏度和高输出。这也将有助于MRAM和AI硬件的低功耗技术。”