Bloco de construção para lógica spin-órbita magnetoelétrica abre novo caminho para tecnologias de baixa potência além do CMOS

Em artigo publicado em Comunicações da Natureza, uma equipe internacional liderada por pesquisadores do grupo Nanodevices do CIC nanoGUNE teve sucesso na comutação de magnetização baseada em tensão e na leitura de nanodispositivos magnetoelétricos spin-órbita. Este estudo constitui uma prova de princípio desses nanodispositivos, que são os blocos de construção da lógica magnetoelétrica spin-órbita (MESO), abrindo um novo caminho para tecnologias de baixa potência além do CMOS.

Um caminho para a comutação de magnetismo baseada em tensão e livre de campo magnético foi proposto usando materiais magnetoelétricos que exibem mais de uma das propriedades ferroicas primárias na mesma fase. Dentre várias combinações possíveis, espera-se que a coexistência de ferroeletricidade e ferromagnetismo permita o controle da magnetização através da comutação da polarização ferroelétrica com um campo elétrico.

Nesta categoria, ferrita de bismuto (BiFeO₃) tem sido o material mais estudado, exibindo um forte acoplamento entre as ordens antiferromagnética e ferroelétrica à temperatura ambiente.

O caminho para dispositivos baseados em multiferróicos tem sido longo e tortuoso, com resultados esparsos relatados. No entanto, espera-se que tais dispositivos possam reduzir as energias de escrita de magnetização para a faixa de attojoule, uma melhoria de várias ordens de grandeza quando comparado com dispositivos baseados em corrente de última geração.

Esta força motriz levou à recente proposta da lógica MESO, sugerindo um nanodispositivo baseado em spin adjacente a um multiferróico, onde a magnetização é comutada apenas com um pulso de tensão e é lida eletricamente usando fenômenos de conversão de corrente de spin para carga (SCC).

Agora, uma equipe de pesquisadores demonstrou a implementação experimental de tal dispositivo. A equipe fabricou nanodispositivos SCC em BiFeO₃ e analisou a reversibilidade da magnetização do CoFe ferromagnético usando uma combinação de resposta piezo e microscopia de força magnética, onde o estado de polarização do BiFeO₃ e a magnetização do CoFe são visualizadas durante a comutação.

Os pesquisadores então correlacionaram isso com experimentos SCC totalmente elétricos, onde pulsos de tensão foram aplicados para mudar o BiFeO₃revertendo a magnetização do CoFe (escrita) e diferentes tensões de saída do SCC foram medidas dependendo da direção da magnetização (leitura).

Os resultados publicados apoiam a comutação e leitura de magnetização baseada em tensão em nanodispositivos à temperatura ambiente, possibilitada pelo acoplamento de troca entre BiFeO multiferróico₃ e CoFe ferromagnético, para escrita, e SCC entre CoFe e Pt, para leitura.

Embora sejam necessários mais trabalhos em termos de controlabilidade e reprodutibilidade da comutação, especificamente em relação às texturas ferroelétricas e magnéticas em BiFeO₃esses resultados fornecem um passo importante em direção ao controle de tensão da magnetização em ímãs em nanoescala, essencial para futuros dispositivos lógicos e de memória baseados em spin de baixa potência.