La migració d'ions impulsada per voltatge proporciona un mecanisme poderós per modular el magnetisme i els fenòmens relacionats amb l'espín en sòlids, oferint un potencial significatiu per al desenvolupament de dispositius micro i nanoelectrònics de propera generació energèticament eficients. Els antiferroimants sintètics, que comprenen dues capes ferromagnètiques acoblades antiferromagnèticament a través d'un espaiador no magnètic prim, ofereixen avantatges clau per a aplicacions en espintrònica, incloent major estabilitat tèrmica, menor interacció magnetostática i robustesa davant de camps magnètics externs en unions túnel magnètiques. Però malgrat el seu potencial tecnològic, el control magnetoiònic de l'acoblament antiferromagnètic en multicapes continua sent en gran part inexplorat i poc comprès, especialment en sistemes que eviten la dependència dels metalls del grup del platí.

En una publicació recent, científics de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), Singulus Technologies (Alemanya), la Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA) i el Sincrotró ALBA han demostrat el control del voltatge a temperatura ambient de les interaccions Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) en antiferroimants sintètics basats en cobalt/níquel.

Els experiments revelen transicions induïdes per voltatge entre estats ferromagnètics (sense compensació) i antiferromagnètics (totalment compensat), juntament amb una modulació notable del desplaçament del camp de polarització RKKY, l'aparició d'esdeveniments de commutació addicionals, i la formació de bombolles de domini similars a skyrmions sota voltatges de comporta relativament baixos.

Aquests efectes s'atribueixen a la migració d'oxigen impulsada per voltatge dins de les multicapes, com ho confirmen les anàlisis microscòpiques i espectroscòpiques. Es van realitzar anàlisis d'espectroscòpia d'absorció de raigs X (XAS) a la línia de llum BOREAS d'ALBA. Es va utilitzar XAS per caracteritzar, a temperatura ambient, la composició elemental i l'estat d'oxidació de les pel·lícules. Les troballes van ser crucials per comprendre els mecanismes del control magnetoiònic de les estructures dels antiferroimants artificials.

Un nou enfocament per optimitzar les unions de túnel magnètic

Les unions de túnel magnètic segueixen enfrontant-se a diversos desafiaments que obstaculitzen el seu rendiment i escalabilitat:

• estabilitat magnètica limitada de la capa de referència sota camps magnètics externs.
• interaccions dipolars entre capes, on el moment magnètic de la capa de referència pertorba la inversió de magnetització de la capa lliure, degradant el rendiment del dispositiu.
• mala estabilitat tèrmica en un ampli rang de temperatures.
• densitat d'àrea restringida, com la reducció de les dimensions laterals de les unions de túnel magnètic. Sovint això condueix a efectes superparamagnètics que comprometen la fiabilitat del dispositiu.

Per abordar aquestes limitacions, els antiferroimants sintètics s'han desenvolupat i adoptat àmpliament com a capes de referència en unions túnel magnètiques. Estan compostes per dues capes ferromagnètiques acoblades antiferromagnèticament a través d'un espaiador prim magnètic (per exemple, de ruteni, rodi o iridi) via acoblament d'intercanvi RKKY. Els antiferroimants sintètics proporcionen múltiples avantatges: estabilitat magnètica millorada, interaccions dipolars reduïdes (especialment quan les dues capes ferromagnètiques estan compensades magnèticament, cosa que elimina els camps dispersos), robustesa tèrmica millorada i potencial per més densitat d'àrea i arquitectures de dispositius més compactes.

Per a un rendiment òptim de la unió del túnel magnètic, són desitjables estructures d'antiferroimants sintètics que exhibeixin un acoblament antiferromagnètic més fort – és a dir camps d'intercanvi de RKKY més grans –, ja que permeten una finestra de camp magnètic més àmplia per fixar la magnetització de la capa lliure sense induir interaccions magnètiques indesitjades. Tot i els avenços recents en aquest camp, els esquemes de commutació de magnetització basats en corrent elèctric en unions túnel magnètiques encara plantegen desafiaments en termes d'eficiència energètica. Es preveu una reducció significativa de les pèrdues òhmiques mitjançant lús de voltatge (o camps elèctrics), en lloc de corrent, per controlar el magnetisme.

Per tant, és evident que els resultats de modulació de multicapes acoblades antiferromagnèticament RKKY amb camp elèctric són de gran interès i rellevància tecnològica per al desenvolupament de la tecnologia de memòria d'accés aleatori magnetorresistiva (MRAM). El control magnetoiònic de les interaccions RKKY ofereix una plataforma versàtil per al desenvolupament de dispositius espintrònics de propera generació amb baix consum d'energia, no volatilitat i reconfigurabilitat dinàmica. En permetre l'ajust impulsat per voltatge de l'acoblament magnètic entre capes, aquest enfocament és prometedor per a aplicacions en MRAM controlada per voltatge, computació neuromòrfica i lògica espintrònica, on la modulació analògica i el comportament multiestat són desitjables. També millora el rendiment de sensors magnètics i vàlvules de gir estabilitzant els estats antiparal·lels i reduint les demandes d'energia.

A més, la capacitat d'induir i controlar estructures de domini similars a skyrmion a través de l'activació iònica obre camins cap a memòries d'alta densitat i lògiques basades en skyrmions. Aquesta funcionalitat ajustable, combinada amb l'adaptabilitat posterior a la fabricació, posiciona la magnetoiònica com una eina poderosa per dissenyar dispositius magnètics energèticament eficients, escalables i segurs.

Comportament d'histèresi magnètica de les piles [Ni/Co]7/Ru/[Co/Ni]5 crescudes, amb gruix variable de Ru, tRu. a) Esquemes de la reversió del moment magnètic per a la pila desacoblada [Co/Ni]5 (en vermell) i esquemes representatius del canvi d’espín de les capes magnètiques superior i inferior en les piles [Ni/Co]7/Ru/[Co/Ni]5 amb tres (tRu = 0,60 nm, en verd) i quatre (tRu = 0,95 nm, en marró fosc) passos. b) Corbes d’histèresi a temperatura ambient de les capes magnètiques [Co/Ni]5 crescudes i de les piles [Ni/Co]7/Ru/[Co/Ni]5 amb diferents valors de tRu. c) Dependència del camp de recobrament RKKY, Hex, i de la intensitat del recobrament d’intercanvi, Jex, en funció de tRu. Figures originals de https://doi.org/10.1002/adma.202415393.