INVE MEM 2010 82933

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Universidad Politecnica de Madrid (UPM)
E.T.S.I.Telecomunicacion
Instituto de Sistemas Optoeletronicos y Microtecnologia
Grupo de Dispositivos Magnéticos (GDM)
Fenomenologia spintronica
Claudio Aroca
Coordinador de Tecnologías
Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología
C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas
• Breve presentación del iSOM, del GDM y sus circunstancias
• A modo de introducción: Viejos experimentos con spines y corrientes
• Magnetoresistencia gigante y valvulas de spin
• STO’s
• Memorias race-track
Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología
C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas
Magnetic Devices Group U. P. M.
PERSONAL
Dr. Pedro Sanchez
Dr. Claudio Aroca
[email protected]
Dr. Marco Maicas
Dr. Jose Luis Prieto [email protected]
Dra M.M. Sanz
Dr M Muñoz (CSIC)
3 Graduate students
2 Technicians (mechanical, computers & electronic)
LINEAS DE INVESTIGACION
Magnetic nanodots (sputtering)
Magnetic multilayers
Magnetic sensor and planar magnetic devices
Hybrid devices
Spintronica
E.T.S. I Telecomunicacion, Ciudad Universitaria
Madrid 28040 Spain
Tel. +343367277 fax + +343367271
http//www.isom.upm.es
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C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas
ISOM-UPM
V
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APPLICATIONS (Security systems)
Submarine battery control
between
Potential
(V)
entre los electrodos
electrodes
• SENSIBILITY
• DINAMIC RANGE
• LOW POWER
• ….
BUT ALSO
Electrolite density (gr/cm3)
• INBUILT
ELECTRONIC
Diodes
• INTERCONEXION (serial, diffuse light, power
lines..) Relay
Floating
magnet
• SIGNAL PROCESSING
Diferencia de potencial
2.16
2.14
2.12
V = 0.72437 + 1.0901 * r
R = 0.99348
2.10
2.08
2.06
2.04
2.02
1.20
1.22
1.24
1.26
1.28
1.30
3
Densidad del electrolito (g/cm )
Diodos LED
Relés “reed”
Imán flotador
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C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas
Financiación
•
•
•
•
•
•
•
•
Subvención de la Universidad
0.85 Me
Grupos de investigación
Salario personal fijo (también damos clases)
Electricidad y Agua ( hasta este año)
Somos ICTS
Gastos de mantenimiento
Compra de grandes equipos
(damos mas de 40 semanas de servicios al año)
Proyectos Europeos
Proyectos Nacionales (investigación básica)
Proyectos Nacionales con Empresas
Proyectos con Empresas
Proyectos con el CIDA
Total
1.85Me
El 15% va a la Universidad, Departamento, ISOM
El 30% Mantenimiento y gastos del ISOM
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Calidad
•
•
•
•
•
•
ISOM Plan de calidad UPM (auditoria objetivos anual, Evaluación cada
4 años)
– Publicaciones
– Patentes
– Formación de personal
– Proyectos
– Igualdad de la Mujer
– Instalaciones y seguridad
Grupos de Investigación Plan de calidad UPM (, Evaluación anual
ICTS Plan estratégico MEC (Evaluación cada 4 años)
Personal Investigador MEC (Evaluación cada 6 años)
Personal Docente e Investigador CAM (Evaluación cada año)
Evaluación de los proyectos (anual y fin de proyecto + auditorias)
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C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas
Protección de Resultados
• Patente a nivel nacional muy accesible paga la
Universidad y da Soporte administrativo y técnico
• A los 2 años patente europea si solo hay un
organismo es accesible en otro caso es muy cara
• Inventores no hay problema,
• Propiedad depende de los acuerdos previos con las
empresas son muy variados, la universidad se
queda con un porcentaje de lo que se reciba
¿Patentar si o no?
en mi experiencia solo si hay una empresa interesada
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C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas
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C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas
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C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas
ne 2
 *
r
m
1
  E (k ) 

m  
2
 k 
2
1
*
Metal no magnético: 50% e-↑ y 50% e-↓
Metal Magnético: Corriente polarizada de spin
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C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas
Luz circularmente
polarizada
GaAs
I
A
H
H
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C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas
J. Unguris, G. Hembree, C. Aroca, R. J. Celotta,
and D. T. Pierce
Magnetic Properties of Amorphous Metals
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C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas
INTRODUCCIÓN A LA SPINTRONICA
Spin Diffusion Length
Una interfaz entre
dominios paralelos en un
material ferromagnético,
no produce ninguna MR
Un metal no ferromagnético
trata igual a ambos spines.
Después de una distancia lSD
la infomación del spin
desaparece.
SD 
vF 
Un poco más de spin-up = Spin Accumulation
3
= pequeño momento magnético neto
SD , 
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C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas
Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología
C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas
E. LOPEZ, C. AROCA P. SANCHEZ
JMMM 1983
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C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas
I
L. Berger
Pys Let (1973)
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C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas
E. LOPEZ, C. AROCA P. SANCHEZ
JMMM
1980
Instituto
de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología
C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas
Tulchinsky DA, Unguris J, Celotta RJ
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C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas
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C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas
INTRODUCCIÓN A LA SPINTRONICA
1988 -1989
i
i
R
R
Cr
i
Fe
Espesor ~ 10 -20 Å
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R
 20%
R
C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas
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INTRODUCCIÓN A LA SPINTRONICA
Albert Fert
Peter Grünberg
PREMIO NOBEL 2007
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INTRODUCCIÓN A LA SPINTRONICA
SPIN VALVES: Transición a H=0
(Synthetic Spin-Valves)
Transición a H≠0
Transición a H~0
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Transición a H=0
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INTRODUCCIÓN A LA SPINTRONICA
1991
Stuart Parkin
Inventa la “Spin-Valve”
R
 2%
R
Pero la transición es a
H=0!!
Compartió con Fert y Grümberg:
2007
SIN Nobel
American Physical Society's International New Materials Prize (1994)
European Physical Society's Hewlett-Packard Europhysics Prize (1997)
1997: Spin –Valve como
cabeza lectora
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100% Crecimiento anual
1997 (2.4 Gb/sq-Inch)
2007 (70 Gb/sq-Inch)
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INTRODUCCIÓN A LA SPINTRONICA
Grabación Magnética
Cabeza : sin t 
Velocidad   / k
Disco : sin kx 
y
x

1991: 1 Gb/in2 => Gap 200nm y altura de vuelo 50 nm
2006: 7 Gb/in2 =>
Altura de vuelo 10 nm.
Velocidad de vuelo 50 m/s
Alineación con el track 25 nm
Límite esperado 40 Gb/in2
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INTRODUCCIÓN A LA SPINTRONICA
1 Gb/in2:
Precio por Mb (US$)
7470 tpi & 3.4 m
track pitch
5 Gb/in2:
~30 m
Bit Size: 140nm long
700nm track width
Año
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INTRODUCCIÓN A LA SPINTRONICA
Estudios con
patterning
Descubren
GMR
2500
Es un acoplo
RKKY
GMR efecto
Superficial
Primera
Spin-Valve
Sistemas
Granulares
CPP en
GMR
Teoría
Valet&Fert
Topic=Magnetoresistance OR GMR OR Spin Valve
2000
1500
1000
500
0
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005
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SV con Gd en la capa libre
Estudio de GMR en función de la distancia del Gd al espaciador no magnético (t)
SiO2// Ta (2,5 nm)/ Py (9-tnm)/ Gd (1nm)/ Py (tnm)/ Cu (2nm)/ Py (9nm)/ FeMn (15nm)/ Ta (2nm)
2,0
Ta (2nm)
FeMn (15nm)
Py (9nm)
Capa ligada
GMR
1,5
Cu (2nm)
Py (t nm)
1,0
0,5
0,0
Capa libre
0
2
Gd (1nm)
4
6
8
10
Distancia t (nm) al separador
Py (9-t)
Ta (2,5nm)
• ¿Estará el Gd actuando como ‘espejo’?
- Configuración CIP
- ρGd>2ρPy
2,0
1,5
GMR (%)
•
1,0
0,5
0,0
-10
Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología
0
10
20
30
40
50
60
H (Oe)
C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas
70
80
b) Fe/Gd/Fe
• La difusión no parece tener una gran
importancia en la GMR de las SV (si es
que realmente la estamos evitando)
Capa ligada
Py (t nm)
Capa libre
Fe (1nm)
Gd (1nm)
Fe (1nm)
SiO2// Ta (2,5 nm)/ Py (9-tnm)/ Fe (1nm)/ Gd (1nm)/ Fe (1nm)/ Py (tnm)/ Cu (2nm)/ Py (9nm)/ FeMn (15nm)/ Ta (2nm)
2,4
2,0
GMR (%)
1,6
1,2
0,8
Py total width
Gd (1nm)
Fe (2nm)
Fe (1nm)/ Gd (1nm)/ Fe (1nm)
0,4
0,0
0
2
4
6
8
10
Distancia t (nm) al separador
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C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas
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C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas
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HALL EFFECT
H
I
V
V
H
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SPIN HALL EFFECT
I
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SPIN HALL EFFECT
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I
1
2
Una interfaz ferromagnética
entre estados antiparalelos
provoca acumulación de spin y
por tanto MR
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INTRODUCCIÓN A LA SPINTRONICA
TRANSFERENCIA DE SPIN
STO’s (Spin Transfer Oscillators). Potencial futuro
Utilización de los STO’s para comunicación “intrachip”
.- Osciladores de tamaño nanométrico (r100nm) que emiten a GHz
.- La frecuencia de emisión se puede sintonizar con la corriente
? .- Factor de calidad alto Q103 (Osciladores de cuarzo 104)
 .- Potencia emitida baja P0.1nW
 .- Requiere campo magnético superpuesto para emisión.
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INTRODUCCIÓN A LA SPINTRONICA
TRANSFERENCIA DE SPIN EN PAREDES
MEMORIA “RACE-TRACK”
-Memoria sin partes móviles
-Movimiento secuencial de los bits “empujados” por corriente polarizada
-Escritura con el campo de dispersión de una pared de dominio
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MEMORIA “RACE-TRACK”
Parkin et al. Science 230, 190 (2008)
CONCEPTO GENERAL
Memoria Horizontal
Unión
Túnel
Lectura de bits
Memoria Vertical
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Puntos de anclaje
para las paredes
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INTRODUCCIÓN A LA SPINTRONICA
TRANSFERENCIA DE SPIN EN PAREDES
MEMORIA “RACE-TRACK”
Valores típicos para mover una pared
Densidad de corriente típica J107 A/cm2
Record J106 A/cm2 Laribi et al. APL 90, 232505 (2007) en FeCoB
Estimación para ser rentable J<105 A/cm2
¿Solución en pulsos muy cortos?  ns → Probabilidad de mover la pared
Thomas et al. Science 315, 1553 (2007)
J=108 A/cm2
tp
Probabilidad de
salir del defecto
Hace falta algo
de campo H para
moverla 
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INTRODUCCIÓN A LA SPINTRONICA
TRANSFERENCIA DE SPIN EN PAREDES
MEMORIA “RACE-TRACK”
Valores típicos para mover una pared
Velocidad de una pared en nanohilos entre 100 m/s y 1000 m/s
→ Si Bit1µm → 1 Gb/s sólo en un registo de desplazamiento! 
(En Discos actuales de 10000 rpm, “bit transfer”  1Gb/s
MÁS RÁPIDO EN HILOS RUGOSOS!
Nakatani et al. Nature Materials 2, 521 (2003)
ISOM
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C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas
Stochastic nature of the domain wall depinning
in permalloy magnetic nanowires
PHYSICAL REVIEW B 82, 064426 2010
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