La migración de iones impulsada por voltaje proporciona un poderoso mecanismo para modular el magnetismo y los fenómenos relacionados con el espín en sólidos, ofreciendo un potencial significativo para el desarrollo de dispositivos micro y nanoelectrónicos de próxima generación energéticamente eficientes. Los antiferroimanes sintéticos, que comprenden dos capas ferromagnéticas acopladas antiferromagnéticamente a través de un espaciador no magnético delgado, ofrecen ventajas clave para aplicaciones en espintrónica, incluyendo mayor estabilidad térmica, menor interacción magnetostática y robustez frente a campos magnéticos externos en uniones túnel magnéticas. Pero a pesar de su potencial tecnológico, el control magnetoiónico del acoplamiento antiferromagnético en multicapas sigue siendo en gran parte inexplorado y poco comprendido, especialmente en sistemas que evitan la dependencia de los metales del grupo del platino.

En una publicación reciente, científicos de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), Singulus Technologies (Alemania), la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados (ICREA) y el Sincrotrón ALBA han demostrado el control del voltaje a temperatura ambiente de las interacciones Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) en antiferroimanes sintéticos basados en cobalto/níquel.

Los experimentos revelan transiciones inducidas por voltaje entre estados ferromagnéticos (sin compensación) y antiferromagnéticos (totalmente compensado), junto con una modulación notable del desplazamiento del campo de polarización RKKY, la aparición de eventos de conmutación adicionales, y la formación de burbujas de dominio similares a skyrmions bajo voltajes de compuerta relativamente pequeños.

Estos efectos se atribuyen a la migración de oxígeno impulsada por voltaje dentro de las multicapas, como lo confirman los análisis microscópicos y espectroscópicos. Se realizaron análisis de espectroscopía de absorción de rayos X (XAS) en la línea de luz BOREAS de ALBA. Se utilizó XAS para caracterizar, a temperatura ambiente, la composición elemental y el estado de oxidación de las películas. Los hallazgos fueron cruciales para comprender los mecanismos del control magnetoiónico de las estructuras de los antiferroimanes artificiales.

Un nuevo enfoque para optimizar las uniones de túnel magnético

Las uniones de túnel magnético siguen enfrentándose a varios desafíos que obstaculizan su rendimiento y escalabilidad:

• estabilidad magnética limitada de la capa de referencia bajo campos magnéticos externos.
• interacciones dipolares entre capas, donde el momento magnético de la capa de referencia perturba la inversión de magnetización de la capa libre, degradando el rendimiento del dispositivo.
• mala estabilidad térmica en un amplio rango de temperaturas.
• densidad de área restringida, como la reducción de las dimensiones laterales de las uniones de túnel magnético. A menudo esto conduce a efectos superparamagnéticos que comprometen la confiabilidad del dispositivo.

Para abordar estas limitaciones, los antiferroimanes sintéticos se han desarrollado y adoptado ampliamente como capas de referencia en uniones túnel magnéticas. Están compuestas por dos capas ferromagnéticas acopladas antiferromagnéticamente a través de un delgado espaciador no magnético (por ejemplo, de rutenio, rodio o iridio) vía acoplamiento de intercambio RKKY. Los antiferroimanes sintéticos proporcionan múltiples ventajas: estabilidad magnética mejorada, interacciones dipolares reducidas (especialmente cuando las dos capas ferromagnéticas están compensadas magnéticamente, lo que elimina los campos dispersos), robustez térmica mejorada y potencial para mayor densidad de área y arquitecturas de dispositivos más compactas.

Para un rendimiento óptimo de la unión del túnel magnético, son deseables estructuras de antiferroimanes sintéticos que exhiban un acoplamiento antiferromagnético más fuerte – es decir campos de intercambio de RKKY más grandes –, ya que permiten una ventana de campo magnético más amplia para fijar la magnetización de la capa libre sin inducir interacciones magnéticas indeseadas. A pesar de los recientes avances en este campo, los esquemas de conmutación de magnetización basados en corriente eléctrica en uniones túnel magnéticas aún plantean desafíos en términos de eficiencia energética. Se prevé una reducción significativa de las pérdidas óhmicas mediante el uso de voltaje (o campos eléctricos), en lugar de corriente, para controlar el magnetismo.

Por lo tanto, es evidente que los resultados de modulación de multicapas acopladas antiferromagnéticamente RKKY con campo eléctrico son de gran interés y relevancia tecnológica para el desarrollo de la tecnología de memoria de acceso aleatorio magnetorresistiva (MRAM). El control magnetoiónico de las interacciones RKKY ofrece una plataforma versátil para el desarrollo de dispositivos espintrónicos de próxima generación con bajo consumo de energía, no volatilidad y reconfigurabilidad dinámica. Al permitir el ajuste impulsado por voltaje del acoplamiento magnético entre capas, este enfoque es prometedor para aplicaciones en MRAM controlada por voltaje, computación neuromórfica y lógica espintrónica, donde la modulación analógica y el comportamiento multiestado son deseables. También mejora el rendimiento de sensores magnéticos y válvulas de giro estabilizando los estados antiparalelos y reduciendo las demandas de energía.

Además, la capacidad de inducir y controlar estructuras de dominio similares a skyrmion a través de la activación iónica abre caminos hacia memorias de alta densidad y lógicas basadas en skyrmions. Esta funcionalidad ajustable, combinada con la adaptabilidad posterior a la fabricación, posiciona a la magnetoiónica como una herramienta poderosa para diseñar dispositivos magnéticos energéticamente eficientes, escalables y seguros.

Comportamiento de histéresis magnética de las pilas [Ni/Co]7/Ru/[Co/Ni]5 crecidas, con espesor variable de Ru, tRu. a) Esquemas de la inversión del momento magnético para la pila desacoplada [Co/Ni]5 (en rojo) y esquemas representativos del cambio de espín de las capas magnéticas superior e inferior en las pilas [Ni/Co]7/Ru/[Co/Ni]5 con tres (tRu = 0,60 nm, en verde) y cuatro (tRu = 0,95 nm, en marrón oscuro) pasos. b) Bucles de histéresis a temperatura ambiente de las capas magnéticas [Co/Ni]5 crecidas y de las pilas [Ni/Co]7/Ru/[Co/Ni]5 con diferentes valores de tRu. c) Dependencia del campo de acoplamiento RKKY, Hex, y la fuerza de acoplamiento de intercambio, Jex, en función de tRu. Figuras originales de https://doi.org/10.1002/adma.202415393.