Além de controlar a espessura da estrutura de interesse a fim de reduzir a densidade de corrente de reversão da magnetização, recentes estudos têm focado na otimização das proprie- dades magnéticas da camada de reversão (Oguz et al. (2012)), no uso de complexas estruturas na camada livre (Lee et al. (2009), Ichimura et al. (2009)) e no uso de campo externo ao longo do eixo difícil (Devolder et al. (2006)).
A estabilidade magnética de nanoelementos ferromagnéticos deve-se, sobretudo, à ani- sotropia de forma. Espera-se que o estado fundamental de nanoelementos elípticos correspon- dessem à magnetização ao longo do eixo maior. Então, ao modificar a geometria da camada livre para elíptica, espera-se que a densidade de corrente de reversão da magnetização ao longo desse eixo seja maior que o valor correspondente para um nanoelemento circular. Entretanto, se a magnetização está ao longo da direção do eixo menor, espera-se que menores efeitos ex- ternos, tanto campo externo quanto corrente elétrica polarizada em spin, sejam necessários para reversão.
Figura 4.19: Curvas de densidade de corrente de reversão para nanoelementos elípticos de Fe (eixo esquerdo) e Py (eixo direito). Curvas com símbolos quadrados para magnetização ao longo do eixo maior e curvas com símbolo circular para magnetização ao longo do eixo menor.
Devido aos maiores valores da magnetização de saturação e da energia de anisotropia uniaxial, a densidade de corrente crítica para nanoelemento de Fe com mesmas dimensões é maior em relação ao Py. A figura 4.19 mostra que para nanoelementos circulares (90 nm ×90 nm ×2 nm) e aproximadamente circulares de Fe, a densidade de corrente de reversão é aproxi-
madamente igual a 25 × 107 A/cm2, enquanto que para nanoelementos correspondentes de Py
os valores são reduzidos para 6 × 107 A/cm2. Observa-se, ainda, os valores da densidade de
crítica para nanoelementos de dimensões 90 nm ×L (nm) ×2 nm, magnetizados ao longo do eixo menor, e L (nm) ×90 nm ×2 nm, magnetizados ao longo do eixo maior.
Quando a magnetização está ao longo do eixo menor, o nanoelemento de Fe com dimensão 90 nm ×46 nm ×2 nm apresenta densidade de corrente crítica igual a 3 × 107A/cm2,
representando uma redução de 86% quando comparado ao nanoelemento circular. Já para o Py de dimensão 90 nm ×70 nm ×2 nm, obtém-se uma densidade de corrente crítica igual a 6 × 106
A/cm2 que corresponde a uma redução de 90% em relação ao nanoelemento circular.
Para magnetização ao longo do eixo maior, um efeito inverso é observado. Nanoele- mentos de Fe e Py com dimensão 20 nm ×90 nm ×2 nm têm densidades de corrente crítica de 36, 6 × 107 A/cm2 e 8, 65 × 107 A/cm2, respectivamente, representando um aumento de 44%
comparado às densidade de corrente crítica dos nanoelementos circulares correspondentes.
Figura 4.20: Curvas de reversão de nanoelementos elípticos de Fe com dimensões L (nm) ×70 nm ×2 nm. Os painéis (A) e (B) mostram a estrutura magnética dos pontos selecionados nas curvas.
Além da necessidade de redução da densidade de corrente crítica, é primordial para aplicações em células MRAM, por exemplo, analisar como a reversão da magnetização ocorre. A figura 4.20 mostra as curvas de reversão de nanoelementos de Fe com dimensões L (nm) ×70 nm ×2 nm. As curvas preta e roxa representam os regimes circular e quase circular, nos quais a densidade de corrente crítica são aproximadamente 25 × 107 A/cm2. Enquanto que
para nanoelementos de Fe com baixa taxa de proporção (razão entre os diâmetros da elipse), curvas azul e vermelha, as densidades de corrente de reversão são inferiores a 5 × 107 A/cm2.
Apesar dessa redução da densidade de corrente crítica, observamos a existência de estados intermediários, nos quais os momentos magnéticos alinham-se perpendicularmente ao estado desejado e permanecem nesta configuração até que a densidade de corrente crítica seja atingida. Estes estados devem ser evitados para uma melhor aplicação em MRAM, onde temos o interesse da completa e direta reversão da magnetização.
Para o Permalloy, as curvas de reversão (figura 4.21) mostram que para os regimes circular e quase circular (L (nm) ×70 nm ×2 nm), as densidades de corrente crítica são apro- ximadamente 6 × 107A/cm2. Quando o nanoelemento apresenta baixa taxa de proporção, esse
valor é inferior a 0, 6 × 107A/cm2.
Figura 4.21: Curvas de reversão de nanoelementos elípticos de Py com dimensões L (nm) ×70 nm ×2 nm.
Em ambos os casos, as menores densidades de corrente crítica correspondem a na- noelementos elípticos com comprimento do eixo menor abaixo de um valor limite, levando a uma redução na estabilidade do estado com magnetização perpendicular ao eixo fácil do campo dipolar. Assim, o processo de reversão ocorreu em duas etapas, apresentando estados inter- mediários da magnetização. Para o nanoelemento de Ferro (42 nm ×70 nm ×2 nm) a uma densidade de corrente aproximadamente igual a 2 × 107 A/cm2, a magnetização é revertida
para um estado intermediário na direção do eixo fácil do campo dipolar. Ao elevar a densi- dade de corrente, a magnetização é revertida na direção determinada pela polarização para o estado de completa reversão. O mesmo comportamento é observado para o nanoelemento cor- respondente de Permalloy, entretanto, por ser isotrópico e apresentar menor magnetização de saturação, a densidade de corrente de reversão é menor para o Py em relação ao Fe, sendo igual a JC = 0.6 × 107A/cm2.
Os mapas do campo efetivo de corrente polarizada em spin (HJ) e do campo dipolar
(Hd) detalham a direção e intensidade desses campos nos pontos de reversão (figura 4.22). As
figuras 4.22a) e 4.22b) se referem à reversão do nanoelemento de Fe, com dimensão 46 (nm) ×70 nm ×2 nm, a uma densidade de corrente de 23 × 107 A/cm2. Já as figuras 4.22c) e 4.22d)
estão relacionadas à reversão do nanoelemento de Fe, com dimensão 42 nm ×70 nm ×2 nm, a uma menor densidade de corrente (1.4 × 107 A/cm2).
Figura 4.22: Mapas do campo efetivo de corrente polarizada em spin (HJ) e do campo dipolar
(Hd) no ponto de reversão para nanoelemento de Fe com dimensões de a) e b) 46 nm ×70 nm
×2 nm, e c) e d) 42 nm ×70 nm ×2 nm. A barra de cores indica a intensidade do campo.
Observa-se que, apesar das intensidades do campo dipolar terem valores quase iguais nos dois casos, a orientação do campo efetivo de corrente e do campo dipolar favorece a baixa corrente de reversão no nanoelemento com baixa taxa de proporção.
O valor limite do comprimento do eixo menor para o nanoelemento de Fe corresponde a um taxa de proporção de 0.6, enquanto que para o Py esse valor é maior (0.83). Essa esta- bilidade extra da fase magnética dos nanoelementos de Fe magnetizados ao longo da direção do eixo menor deve-se à sua anisotropia uniaxial. Como Py é isotrópico, os efeitos dipolares são predominantes e arrastam o estado uniforme do eixo menor para a direção do eixo maior, a partir de menores taxas de proporção.
CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS
O processo de reversão da magnetização está relacionado ao princípio básico de fun- cionamento do dispositivos de gravação e armazenamento de dados, amplamente utilizados na indústria de informática. O efeito de torque por transferência de spin possibilitou avanços nas aplicações em memórias magnéticas não voláteis, mas ainda há um enorme desafio em reduzir a corrente elétrica necessária para reverter a magnetização. Este trabalho mostrou que o sistema magnético pode ser convenientemente manipulado e proporcionar consideráveis reduções na densidade de corrente de reversão da magnetização.
Investigamos como os efeitos de espessura influenciam no valor da densidade de cor- rente crítica para nanoelementos circulares de Ferro e Permalloy. Consideramos sistemas com espessuras iguais a 1.0 nm, 1.5 nm, 2.0 nm e 2.5 nm e áreas variáveis. As densidade de corrente encontradas foram da ordem de 107 A/cm2. Para o Fe, observamos uma redução de 50% na
densidade de corrente crítica para t = 1.0 nm em relação ao nanoelemento mais espesso. Já para o Py, houve um acréscimo de 61% para as mesmas espessuras. Em geral, por apresentar maior magnetização de saturação e anisotropia uniaxial, que proporciona estabilidade à mag- netização, a densidade de corrente crítica do Fe é menor, assumindo valores até 75% menores, para espessura de 2.5 nm, em relação ao Py. Assim, consideráveis reduções na densidade de corrente quando utilizamos materiais com menor magnetização de saturação porque aumenta o torque e diminui os efeitos dipolares.
Analisamos, também, como a anisotropia de forma de nanoelipses de Fe e Py pode ser explorada para projetar sistemas com consideráveis reduções, até 90%, da corrente de reversão. Se a magnetização está ao longo do eixo maior, a densidade de corrente crítica será maior para a elipse do que para o seu correspondente nanoelemento circular, tanto para o Fe quanto para o Py. Essa estabilidade extra adquirida deve-se à anisotropia de forma que surge na direção
da magnetização quando o sistema é alongado. Entretanto, se a magnetização está ao longo do eixo menor, observa-se uma redução de até 90% em relação ao nanoelemento circular. As curvas de reversão mostraram que as menores densidades de corrente crítica correspondem a nanoelementos elípticos com comprimento do eixo menor abaixo de um valor limite, reduzindo a estabilidade desse estado.
A otimização da reversão da magnetização via corrente elétrica ainda pode ser am- plamente explorada. Pode-se estudar a utilização novos materiais, como o Co ou CoFeB, na camada livre do sistema, pesquisar a influência da espessura do espaçador na densidade de corrente crítica de reversão, modificar o polarizador, utilizar outra camada magnética dois na- noelementos acoplados, dentre outras possibilidades. Podemos, ainda, aprofundar o estudo dos efeitos de uma corrente polarizada na reversão da magnetização incluindo um campo térmico para analisar a estabilidade térmica do sistema, essencial para retenção de dados. Além disso, outra perspectiva seria estudar a dinâmica da magnetização em si, com os momentos magné- ticos modificando-se ao longo do tempo, ou então calcular a resistência elétrica em função da corrente, já que os efeitos do STT são observados através da GMR.
O cenário de aplicações do efeito de torque por transferência de spin não se limita a memórias magnéticas, podendo ser aplicado no estudo de vórtices com aplicações em nano- osciladores transmissores e recptores de microondas, presentes em antenas. O uso de STT para controlar o núcleo de vórtice é um caminho promissor para o desenvolvimento de trabalhos futuros.
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