Базовым элементом микромагнитных устройств являются слоистые спин-вентильные структуры. Малые размеры, совместимость с КМОП-технологией, хорошая масштабируемость и разнообразные режимы работы делают спин-вентильные структуры универсальным компонентом современной микроэлектроники. Цель настоящей работы - анализ, систематизация и обобщение сведений по теоретическим основам функционирования, экспериментальным данным и применению спиновых вентилей. В работе рассмотрены накопители на жестких магнитных дисках, магниторезистивная память с произвольным доступом, спин-трансферные наноосцилляторы, магнитные биосенсоры, а также различные вычислительные системы, работающие по принципам стохастической и детерминированной логики. Использованы ключевые теоретические работы, посвященные гигантскому магнетосопротивлению и спиновому переносу. Систематизированы данные о различных типах считывающих головок жестких дисков, проведено сравнение их архитектуры и параметров. Показано, как современные научные исследования наномагнитных явлений ускоряют темпы роста плотности записи. Проведен анализ современных исследований, посвященных магниторезистивной памяти с произвольным доступом. Обсуждены проблемы энергоэффективности и увеличения степени интеграции для данных устройств. Рассмотрены последние достижения в области материалов, геометрии и свойств спин-трансферных наноосцилляторов, а также проблемы и перспективы развития данной технологии. Проведен анализ теоретических и экспериментальных работ, в которых спин-вентильные структуры задействованы для выполнения логических операций булевой и небулевой логик. Показано, как вероятностный характер неустойчивого переключения спиновых вентилей используется в работе нетрадиционных вычислительных систем, а именно нейроморфных или байесовских сетей. Рассмотрены принципы работы спиновых вентилей в качестве магнитных биосенсоров и обсуждены преимущества их применения.
1. Mott N.F. The resistance and thermoelectric properties of the transition metals // Proceed-ings of the Royal Society. 1936. Vol. 156. P. 368–382.
2. Mott N.F. Electrons in transition metals // Advances in Physics. 1964. Vol. 13. P. 325–422.
3. Fert A., Campbell I.A. Two-current conduction in nickel // Physical Review Letters. 1968. Vol. 21. P. 1190–1197.
4. Chappert C., Fert A., Nguyen Van Dau F. The emergence of spin electronics in data sto-rage // Nature materials. 2007. Vol. 6. P. 813–823.
5. Tsymbal E.Y., Žutić I. Handbook of spin transport and magnetism. Boca Raton: CRC Press Taylor & Francis Group, 2012. 777 p.
6. You Ch.Y. Spin torque nano-oscillator with an exchange-biased free rotating layer // Journal of Magnetics. 2009. Vol. 14. No. 4. P. 168–171.
7. Maekawa S., Shinjo T. Spin dependent transport in magnetic nanostructures. Boca Rаton: CRC Press Taylor & Francis Group, 2002. 292 p.
8. Slonczewski J.C. Current-driven excitation of magnetic multilayers // Journal of Magnet-ism and Magnetic Materials. 1996. Vol. 159. P. L1–L7.
9. Skidanov V.A., Vetoshko P.M., Stempkovsky A.L. Hysteresis loop design by geometry of garnet film element with single domain wall // Journal of Physics: Conference Series. 2011. Vol. 266. P. 012125-1–012125-5.
10. Spin-polarized current induced switching in Co/Cu/Co pillars / J. Grollier, V. Cros, A. Hamzic et al. // Applied Physics Letters. 2001. Vol. 78. No. 23. P. 3666–3665.
11. Field dependence of magnetization reversal by spin transfer / J. Grollier, V. Cros, H. Jaffres et al. // Physical Review B. 2003. Vol. 67. P. 174402–174410.
12. Magnetization switching and microwave oscillations in nanomagnets driven by spin–polarized currents / G. Bertotti, C. Serpico, I.D. Mayergoyz et al. // Physical Review B. 2005. Vol. 94. P. 127206-1–127206-4.
13. Ostrovskaya N.V., Skidanov V.A., Iusipova Iu.A. Bifurcations in the dynamical system for three-layered magnetic valve // Solid State Phenomena. 2015. Vol. 233–234. P. 431–434.
14. Iusipova Iu.A. Analysis of the switching characteristics of MRAM cells based on mate-rials with uniaxial Anisotropy // Semiconductors. 2018. Vol. 52. No. 15. P. 1982–1988.
15. Iusipova Iu.A. Precession of the spin-valve free layer magnetization and its switching under the influence of a magnetic field perpendicular to the axis of anisotropy // Semiconductors. 2019. Vol. 53. No. 15. P. 2029–2036.
16. Юсипова Ю.А. Динамика вектора намагниченности свободного слоя спин-вентильной структуры в магнитном поле, перпендикулярном плоскости слоев // Изв. вузов. Электроника. 2019. Т. 24. № 5. C. 489–502.
17. Ostrovskaya N.V., Iusipova Iu.A. Qualitative theory of dynamical systems for control of magnetic memory elements // Physics of Metals and Metallography. 2019. Vol. 120. No. 13. P. 1291–1298.
18. Юсипова Ю.А. Частота и быстродействие спинового вентиля с планарной анизотропией слоев // Физика твердого тела. 2020. Т. 62. № 9. С. 1361–1369.
19. Hoagland A.S. Storage technology: capabilities and limitations // Computer. 1979. Vol. 12. No. 5. P. 12–18.
20. Daniel E.D., Mee C.D., Clark M.H. Magnetic recording: The first 100 years. N. Y. : IEEE Press, 1999. 370 p.
21. Thompson D.A., Best J.S. The future of magnetic data storage technology // IBM Journal of Research and Development. 2000. Vol. 44(3). P. 311–322.
22. Slaughter J.M. Materials for magnetoresistive random access memory // Annual Review of Materials Research. 2009. Vol. 39. P. 277–296.
23. Zhao W., Prenat G. Spintronics-based computing. Cham: Springer, 2015. 259 р.
24. Chung A., Deen J., Lee J.S., Meyyappan M. Nanoscale memory devices // Nanotech-nology. 2010. Vol. 21. P. 412001-1–412001-22.
25. Meng H., Wang J.P. Spin transfer in nanomagnetic devices with perpendicular aniso-tropy // Applied Physics Letters. 2006. Vol. 88. P. 172506-1–172506-8.
26. 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. 3102604-1–3102604-4.
27. Guo Y.M. Spin transfer MRAM device with magnetic biasing. United States Patent № US0151614А1. 2008. 10 p.
28. Юсипова Ю.А. Энергоэффективность и быстродействие спин-вентильных структур в составе MRAM и HMDD // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем. 2020. Вып. 2. С. 110–117.
29. Cowburn magnetic ratchet for three-dimensional spintronic memory and logic / R. La-vrijsen, J.H. Lee, A. Fernández-Pacheco et al. // Nature. 2013. Vol. 493. P. 647–650.
30. Zeng Z., Finocchio G., Jiang H. Spin transfer nano-oscillators // Nanoscale. 2013. Vol. 5. No. 6. P. 2219–2231.
31. Locatelli N., Cros V., Grollier J. Spin-torque building blocks // Nature Materials. 2014. Vol. 13. No. 1. P. 11–20.
32. Iacocca E., Kerman J.A. Analytical investigation of modulated spintorque oscillators in the framework of coupled differential equations with variable coefficients // Physical Review B. 2012. Vol. 85. No. 18. P. 184420-1–184420-8.
33. Real-time measurement of temporal response of a Spin-Torque oscillator to magnetic pulses / H. Suto, T. Nagasawa, K. Kudo et al. // Applied Physics Express. 2011. Vol. 4. No. 1. P. 013003-1–013003-5.
34. Ultra-fast wide band spectrum analyzer based on a rapidly tuned spin-torque nano-oscillator / S. Louis, O. Sulymenko, V. Tiberkevich et al. // Applied Physics Letters. 2018. Vol. 113. P. 112401-1–112401-8.
35. Reservoir computing with the frequency, phase, and amplitude of spin-torque nano-oscillators / D. Markovic, N. Leroux, M. Riou et al. // Applied Physics Letters. 2019. Vol. 114. P. 012409-1–012409-5.
36. Large microwave generation from current-driven magnetic vortex oscillators in magnetic tunnel junctions / A. Dussaux, B. Georges, J. Grollier et al. // Nature Communications. 2010. Vol. 1. No. 8. P. 1–6.
37. Митрофанов А.А., Сафин А.Р., Удалов Н.Н. Система фазовой синхронизации спин-трансферного наноосциллятора // Письма в ЖТФ. 2014. Т. 40. Вып. 13. С. 66–72.
38. Юсипова Ю.А. Частотные и амплитудные характеристики STNO на основе спинового вентиля с планарной и перпендикулярной анизотропией слоев // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем. 2020. Вып. 1. С. 140–147.
39. Microwave excitations associated with a wavy angular dependence of the spin transfer torque: Model and experiments / O. Boulle, V. Cros, J. Grollier et al. // Physical Review B. 2008. Vol. 77. P. 174403-1–174403-26.
40. Lee K. J., Redon O., Dieny B. Analytical investigation of spin-transfer dynamics using a perpendicular-to-plane polarizer // Applied Physics Letters. 2005. Vol. 86. P. 022505-1–022505-3.
41. Wang S.X., Li G. Advances in giant magnetoresistance biosensors with magnetic nano-particles tags: Review and outlook // IEEE Transactions on Magnetics. 2008. Vol. 44. P. 1687–1702.
42. Datta S., Salahuddin S., Behin-Aein B. Non-volatile spin switch for Boolean and non-Boolean logic // Applied Physics Letters. 2012. Vol. 101. P. 252411-1–252411-4.
43. Spin-torque devices with hard axis initialization as stochastic binary neurons / V. Ostwal, P. Debashis, R. Faria et al. // Scientific Reports. 2018. Vol. 8. P. 16689-1–16689-9.
44. Haykin S. Neural networks and learning machines. Third ed. New Jersey: Prentice Hall, 2008. 977 p.
45. Pervaiz A.Z., Ghantasala L.A., Camsari K.Y., Datta S. Hardware emulation of stochas-tic p-bits for invertible logic // Scientific Reports. 2017. Vol. 7. P. 10994-1–10994-13.
46. Faria R., Camsari K.Y., Datta S. Low barrier nanomagnets as p-bits for spin logic [Электронный ресурс] // arXiv.org. 2016. URL: https://arxiv.org/abs/1611.05477v3 (дата об-ращения: 01.07.2020).
47. Pervaiz A.Z., Sutton B.M., Ghantasala L.A., Camsari K.Y. Weighted p-bits for FPGA implementation of probabilistic circuits // IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems. 2019. Vol. 30. Iss. 6. P. 1920–1926.
48. Low-energy deep belief networks using intrinsic sigmoidal spintronic-based probabilistic neurons / R. Zand, K.Y. Camsari, S.D. Pyle et al. // Great Lakes Symposium on VLSI - 2018. Chicago, United States (May 23–25). 2018. P. 15–20.
49. Behin-Aein B., Diep V., Datta S. A building block for hardware belief networks // Scientific Reports. 2016. Vol. 6. P. 29893-1–29893-10.
50. Sutton B., Camsari K.Y., Behin-Aein B., Datta S. Intrinsic optimization using stochastic nanomagnets // Scientific Reports. 2017. Vol. 7. P. 44370-1–44370-9.