İleri Endüstriyel Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (AIST) ve Grenoble Alpes Üniversitesi ile işbirliği içinde Osaka Üniversitesi’nden araştırmacılar, yüksek hızda ısıtmak suretiyle, nano boyutlu bir mıknatısın yönünü kontrol etmek için etkili bir teknik rapor ettiler. Araştırmacılar ayrıca nano-mıknatısların mikrodalga sinyallerini güçlendirdiğini keşfetti. Bu grubun başarıları, Manyeto-Direnç Özellikli Rastgele Erişim Bellek (MRAM) ve yapay zeka (AI) cihazlarının güç tüketiminin azaltılmasına katkıda bulunacaktır. Çalışma, AI cihazlarının hafızasına daha verimli bir şekilde okuma ve yazma yapmalarını sağlayacak ve böylece makine öğrenme ve karar verme gibi AI işlevlerinin güç tüketimini baskılayacaktır. Bu, süper akıllı bir topluma ulaşma yolunda atılan başka bir adımdır.
Bilgi ve iletişim cihazlarının güç tüketimini azaltmak, felaket zamanlarında bile uzun süre çalışmaya devam edebilecekleri anlamına gelmektedir. Spintronik, MRAM teknolojisinin manyetik tünel kavşakları (MTJ’ler) kullanılarak geliştirildiği geniş çapta araştırılmış bir alandır. MRAM, bilgi depolamak için manyetik bir kutup yönünü kullanır, böylece bekleme gücü olmadan belleği koruyabilir. Araştırmacılar bu teknolojileri kullanarak AI cihazlarının enerji tüketimini azaltmaya çalışmışlardır.
Bir MTJ’nin manyetik hizalamasının, küçük bir akım ve gerilim kullanarak kontrol edilmesi, cihazın güç tüketimini azaltabilir. Bununla birlikte, Spin-Transfer-Tork MRAM (STT-MRAM) için sorun; yazma hızı yüksek olduğunda, büyük miktarda güç kullanarak voltajının hızla artmasıdır.
Araştırma grubu; uygulanan voltajı kontrol ederek, bir MTJ’deki manyetik anizotropiyi değiştirerek ve STT-MRAM’dan daha az enerji kullanarak bilgi yazmanın mümkün olduğunu keşfetti. Bu yöntemin pratik bir şekilde yapılması için voltaj kontrollü, manyetik anizotropinin büyüklüğünün arttırılması gerekir. Uygun malzeme bulmaya ek olarak, manyetik anizotropiyi değiştirmek için başka yöntemler de araştırılmıştır.
Araştırmacılar, bir MTJ’de; Joule ısıtması ile çift, yalıtkan katmanları olan dev bir manyetik anizotropi değişikliğini indüklemeyi başardı. Bir MTJ’nin metal (serbest) katmanındaki sıcaklık arttıkça, manyetik anizotropi değişir, böylece bir manyetik kutbun yönünü değiştirmek mümkün olur. Manyetik anizotropinin, Joule ısıtması nedeniyle ön gerilim voltajına bağlı olduğunu buldular. Bu, Joule ısıtmanın neden olduğu sıcaklık artışının manyetik anizotropiyi değiştirdiğini göstermektedir. Araştırmacılar, belirli bir elektrik alanı için manyetik anizotropi değişiminin maksimum değerini değerlendirdiğinde: Isı etkisinin büyüklüğü, 300 fJ/Vm’ydi; bu, saf elektronik etki kullanılarak manyetik anizotropinin (VCMA) hızlı voltaj kontrolünün rapor edilen maksimum değeri ile hemen hemen aynıydı. Isı etkisi akımı VCMA’ya göre çok daha büyük olmasına rağmen, yüksek hızlı uygulamalar için STT’den daha verimlidir. Ayrıca, bu değer bir MTJ’deki ısı sistemini iyileştirerek artacaktır.
Araştırma grubu ayrıca, dev manyetik anizotropi değişikliği kullanılarak bir MTJ yoluyla bir mikrodalgayı daha güçlü hale getirmiştir. Mikrodalga amplifikasyonu daha önce bir mikrodalga frekanslı manyetik alan kullanılarak denenmişti; bununla birlikte, geleneksel yöntemlerle elde edilen mikrodalga gücü 0.005’tir ve amplifikasyon yoktur. Ekip, manyetik alan 50 mT ve 0,4 GHz mikrodalga frekansıyla 1,6’lık bir mikrodalga güç yansıtıcılığını elde etti; yani mikrodalga, giriş mikrodalgaya kıyasla yaklaşık yüzde 60 oranında büyütüldü.
Minori Goto: “Çalışmamız, spintronik cihazlarını kullanan ilk mikrodalga amplifikasyon raporudur. Bu araştırma, yüksek performanslı mikrodalga cihazları geliştirmenin yolunu açacak. İleriye doğru hareket ederek, teknolojimizin yüksek hassasiyet ve yüksek verime sahip yeni mikrodalga cihazlara uygulanacağını tahmin ediyoruz. Bu aynı zamanda MRAM ve AI donanımı için düşük güç tüketimi teknolojisine de katkıda bulunacak. “
