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As mem´orias magn´eticas de acesso aleat´orio (MRAM) s˜ao mem´orias n˜ao-vol´ateis, con- sideradas chaves para a cria¸c˜ao de novos equipamentos m´oveis de alto desempenho. O desenvolvimento dessa mem´oria baseia-se em uma nova c´elula cuja n˜ao necessita est´a sempre alimentada por corrente para fazer a grava¸c˜ao, reduzindo pela metade o consumo de energia, usando uma nova arquitetura que possibilita alta velocidade e excelente de- sempenho. Com o avan¸co dessas caracter´ısticas o objetivo tecnol´ogico da atualidade vem sendo alcan¸cado, ou seja, uma maior densidade de informa¸c˜oes armazenadas em volumes nanom´etricos. Essa tecnologia ´e baseada na magnetoresistˆencia. O que n˜ao acontece nas mem´orias usadas no mercado, as do tipo RAM (Mem´orias de Acesso Aleat´orio) que ´e um tipo de mem´oria prim´aria, a qual h´a um elevado gasto de energia para manter o processo de leitura e escrita.

Figura 2.11: Figura esquem´atica representando como se d´a a orienta¸c˜ao magn´etica quando se aplica um campo a um sistema GMR (FM/Condutor/FM). Em (a), sem campo externo a resistˆencia ´e alta, configura¸c˜ao antiparalela entre os FM. Em (b) com campo magn´etico aplicado, a resistˆencia ´e baixa. Como tamb´em um esquema do disco r´ıgido [27]

Hoje grandes empresas como Spintec, Grandis investem nessa tecnologia, elas con- seguiram reduzir o consumo de energia criando um novo formato de jun¸c˜ao de tunelamento para as c´elulas.

Slonczewski e Berger [30, 31] de forma independente contribuiram para um importante efeito no GMR: o efeito de transferˆencia de spin, em que a orienta¸c˜ao da magnetiza¸c˜ao (correspondente aos estados de resistˆencia alta ou baixa) em multicamadas magn´eticas nanoestruturadas que podem ser manipuladas pela corrente de polariza¸c˜ao de spin. Este fenˆomeno ocorre quando a corrente de el´etrons atravessa duas camadas ferromagn´eticas separadas por uma fina camada n˜ao magn´etica. A corrente torna-se polarizada de spins atrav´es da transmi¸c˜ao ou reflex˜ao atrav´es da primeira camada ferromagn´etica (camada fixa) e mant´em esta polariza¸c˜ao at´e atraversar o espa¸camento n˜ao magn´etico e entrar, in- teragir com a segunda camada ferromagn´etica (camada livre). Essa intera¸c˜ao exerce um torque no momentum magn´etico da camada livre atrav´es de uma transferˆencia de mo- mentum angular da corrente polarizada para magnetizar a camada livre. A transferˆencia de spin pode ter implica¸c˜oes importantes para aplica¸c˜oes em disposotivos eletrˆonicos uma vez que fornece uma manipula¸c˜ao local da magnetiza¸c˜ao em vez de usar o campo de longo alcance por uma corrente remota.

Desde ent˜ao, um r´apido crescimento nas pesquisas tanto experimentais como te´oricas vem enfocando a explora¸c˜ao de suas origens microsc´opicas [32, 33, 34, 35, 36, 37] e mecan- ismos de troca do efeito de transferˆencia de spin [38, 39, 40, 41, 42] bem como seu poten- cial de aplica¸c˜oes pela spin-transfer torque (STT) baseada em MRAM e na corrente de tunelamento por uma alta frequˆencia de oscila¸c˜ao [43].

alta velocidade na opera¸c˜ao de leitura em aplica¸c˜oes de mem´orias. O MTJ deve suas propriedades a dois fenˆomenos f´ısicos que foram estabelecidos no in´ıcio dos anos 1960 e 1970 nos trabalhos `a baixas temperaturas. Giaever demonstrou em suas pesquisas o fenˆomeno de tunelamento dos el´etrons em isolantes finos (tunelando entre supercondutor e materiais normais) o qual deu seu prˆemio Nobel em 1960. Dez anos depois Tedrow e Meservey realizaram experimentos com materiais ferromagn´eticos e condutores e notaram que o spin era conservado no tunelamento e que a condu¸c˜ao do tunelamento dependia do grau de polariza¸c˜ao do spin nos eletrodos magn´eticos [44]. Em 1975 demonstrou em primeira m˜ao o tunelamento entre dois filmes ferromagn´etico - em uma jun¸c˜ao de tunelamento com Fe-Ge-Co [45].

Com a alta revolu¸c˜ao das pesquisas em magnetoresistˆencia de tunelamento - TMR no fim do ano de 2004 foi relatado que barreira de M gO era melhor para ser trabalhada em MTJ isso devido ao fato que el´etrons de alto spin polarizado na dire¸c˜ao (001) do eletrodo ferromagn´etico podendo tunelar a barreira M gO mais facilmente outras bandas [46, 47]. MTJ com M gO mostra um TMR maior do que 150% e uma pequena densidade de troca intr´ıseca Jco = 2 ∼ 3 × 106A/cm2.

Na arquitetura cross-point convencional a grava¸c˜ao ´e feita por dois campos externos, a primeira gera um campo perpendicular que tira a magnetiza¸c˜ao da camada livre do eixo f´acil e a segunda gera um campo ao logo do eixo duro gravando o bit. Na Figura 2.13 mostra uma estrutura convencional da c´elula MRAM a qual precisa de duas correntes de leitura. Campos e correntes requerem para escrever os bits um crescimento r´apido do tamanho dos elementos escolhidos para formar o MTJ. A corrente em (a) passa por cima

da jun¸c˜ao ´e chamada de corrente de leitura (bit line) mas como esta tem uma resistˆencia, a corrente n˜ao atravessa a jun¸c˜ao, modificando a camada livre, qua vai gravar um bit 0 ou 1. A tecnologia de escrita do STT requer uma corrente atraversando o MTJ vencendo os obst´aculos com baixa densidade de corrente, sendo SST um processo quˆantico, onde os el´etrons tunelam a barreira isolante. A corrente ao atraversar a jun¸c˜ao, esquenta a camada o substrato AF que prende a camada ferromagn´etica (camada de referˆencia), a camada AF fica mole, consequentemente a camada de referˆencia fica livre para trocar o sentido do seu momento magn´etico, podendo ficar paralelo ou antiparalelo em rela¸c˜ao a camada livre, escrevendo um bit zero ou um.

Quando a corrente atravessa a jun¸c˜ao, consequentemente ela aquece o nanoelemento [48, 49, 50] e este assume uma configura¸c˜ao de acordo com os campos gerados por esta corrente. Ao resfriar, o sistema pode restabelecer ao sistema inicial ou n˜ao. Nesse Cen´ario, vamos estudar no cap´ıtulo 4, histerese t´ermica em nanoelemetos ferromagn´eticos acopla- dos a um substrato antiferromagn´etico.