1561-5405 10.24151/1561-5405 Proceedings of Universities. Electronics Scientifical and technical journal "Proceedings of Universities. Electronics" Научно-технический журнал «Известия высших учебных заведений. Электроника» 1561-5405 2587-9960 National Research University of Electronic Technology Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" 10.24151/1561-5405-2019-24-2-160-173538.955:621.377.624:004.942Precession of Spin-Valve Free Layer Magnetization and Its Switching Under Influence of a Magnetic Field Perpendicular to Axis of AnisotropyПрецессия намагниченности свободного слоя спинового вентиля и его переключение при воздействии магнитного поля, перпендикулярного оси анизотропии160173http://ivuz-e.ru/en/issues/2-_2019/pretsessiya_namagnichennosti_svobodnogo_sloya_spinovogo_ventilya_i_ego_pereklyuchenie_pri_vozdeystvi/

Modern microelectronic devices based on the layered spin-valve structures are characterized by low power consumption, high reliability and wide temperature range. The study of the spin valve modes and the investigation of the possibilities of controlling these modes are of practical interest. In the work the spin valve modes operation, which are the base for magnetoresistive random-access memory MRAM, a binary stochastic neuron p-bit and a variety of the spin-transfer nano-oscillators STNOs, have been considered. For this purpose, a mathematical model of a spin valve with longitudinal anisotropy, placed in a magnetic field perpendicular to the axis of anisotropy and parallel to the plane of the layers has been constructed. A system of equations, describing the dynamics of the magnetization vector of the free layer of the spin valve has been obtained. The qualitative analysis of this system has enabled us to determine the equilibrium state of the free layer magnetization for the spin-valve structure. Based on the bifurcation analysis of the dynamic system of equations the conditions for changing the type of singular points of the system have been determined. The study on the dynamics of the magnetization vector of the free layer of the spin valve has helped to identify the main modes of its work as a part of the magnetoresistive random access memory, a binary stochastic neuron, spin-transfer nano-oscillators and to determine the ranges of the current and the magnetic field corresponding to the modes. For the spin-transfer nano-oscillators, also, the frequency and amplitude characteristics have been calculated. The proposed structure with planar anisotropy, placed in the field, which is perpendicular to the anisotropy axis, from the point of view of its application as a spin-transfer nano-oscillator will be more preferable than the structure with the field applied in parallel to anisotropy axis.

Современные микроэлектронные устройства, в основе архитектуры которых лежат слоистые спин-вентильные структуры, отличаются малым энергопотреблением, высокой надежностью и широким температурным диапазоном. Изучение динамических режимов спинового вентиля и исследование возможностей управления этими режимами представляют практический интерес. В работе рассмотрены режимы работы спинового вентиля, которые являются базовыми для магниторезистивной памяти с произвольным доступом (MRAM), бинарного стохастического нейрона (p-bit) и различных спин-трансферных наноосцилляторов (STNOs). Построена математическая модель спинового вентиля с продольной анизотропией, помещенного в магнитное поле, перпендикулярное оси анизотропии и параллельное плоскости слоев. Получена система уравнений, описывающих динамику вектора намагниченности свободного слоя спинового вентиля. Качественный анализ системы уравнений позволил определить равновесные положения намагниченности свободного слоя для спин-вентильной структуры. На основании проведенного бифуркационного анализа динамической системы уравнений найдены условия смены типа особых точек системы. Исследование динамики вектора намагниченности свободного слоя спинового вентиля позволило выявить основные режимы его работы в качестве составляющей магниторезистивной памяти, бинарного стохастического нейрона и спин-трансферного наноосциллятора и определить диапазоны тока и магнитного поля, соответствующие данным режимам. Для спин-трансферных наноосцилляторов рассчитаны частотные и амплитудные характеристики. Предложенная структура с планарной анизотропией, помещенная в поле, перпендикулярное оси анизотропии, с точки зрения ее применения в качестве спин-трансферного наноосциллятора будет предпочтительнее структуры с полем, приложенным параллельно оси анизотропии.

 Dependence of voltage and size on write error rates in spin-transfer torque magnetic random-access memory / J.J. Nowak, R.P. Robertazzi, J.Z. Sun et al. // IEEE Magnetics Letters. – 2016. – Vol. 7. – P. 3102604Sutton B., Camsari K.Y., Behin-Aein B., Datta S. Intrinsic optimization using stochastic nanomagnets // Scientific Reports. – 2017. – Vol.7. – No. 1. – P. 1–9.Behin-Aein B., Diep V., Datta S. A building block for hardware belief networks // Scientific reports. – 2016. – Vol. 6. – No. 1. – P. 1–10.Shim Y., Jaiswal A., Roy K. Ising computation based combinatorial optimization using spin-Hall effect (SHE) induced stochastic magnetization reversal // Journal of Ap-plied Physics. – 2017. – Vol. 121. – P. 193902.Faria R., Camsari K.Y., Datta S. Low barrier nanomagnets as p-bits for spin logic // IEEE Magnetics Letters. – 2017. – Vol. 8. – P. 2685358.Camsari K.Y., Faria R., Sutton B.M., Datta S. Stochastic p-bits for invertible logic // Phys. Rev. – 2017. – X. – Vol. 7. – No. 3. – P. 031014.Low-energy deep belief networks using intrinsic sigmoidal spintronic-based probabilistic neurons / R. Zand, K.Y. Camsari, S.D. Pyle et al. // in Proceedings of the 2018 on Great Lakes Symposium on VLSI (ACM, 2018). – 2018. – P. 15–20.You Ch.Y. Spin torque nano-oscillator with an exchange-biased free rotating layer // Journal of Magnetics. – 2009. – Vol. 14(4). – P. 168–171.Slonczewski J.C. Current-driven excitation of magnetic multilayers // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. – 1996. – Vol. 159. – P. L1–L7.Ostrovskaya N.V., Skidanov V.A., Iusipova Iu.A. Bifurcations in the dynamical system for three-layered magnetic valve // Solid State Phenomena. – 2015. – Vols. 233-234. – P. 431–434.Островская Н.В., Скиданов В.А., Юсипова Ю.А. Классификация динами-ческих режимов переключения намагниченности в трехслойной ферромагнитной структуре в зависимости от спин-поляризованного тока инжекции и внешнего маг-нитного поля. I. Продольная анизотропия // Компьютерные исследования и моде-лирование. – 2016. – №4. – Т. 8. – C. 605–620.Юсипова Ю.А. Анализ характеристик переключения ячеек памяти MRAM на основе материалов с одноосной анизотропией // Изв. вузов. Электроника. – 2017. – Т.22. – №5. – С. 421–432.