Spin torque devices driven by tailored spin currents

由定制自旋电流驱动的自旋扭矩装置

基本信息

  • 批准号:
    1810541
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 34.5万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-08-15 至 2022-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Spin electronics has the potential to revolutionize information technologies by providing energy-efficient magnetic devices for storage, processing, and transmission of information. Many of the existing and proposed devices rely on spin torques which are used to control magnetization dynamics and to manipulate magnetic states of nanoscale devices. The prominent examples are magnetic switching and spin torque oscillators. Spin torque oscillators can be used to create local microwave fields assisting the magnetic writing in hard drives. Furthermore, they can transmit information by emitting spin waves into a magnonic waveguide. Such oscillators exhibit a rich palette of nonlinear phenomena that makes them particularly attractive device candidates within the emerging paradigm of neuromorphic computing. The central prerequisite for the design and realization of spin torque devices is the energy-efficient generation of customized spin torques. Spin torques are exerted by spin currents injected into a magnetic device element. Currently, the major bottlenecks for the development of next generation devices are limitations to the polarization direction of pure spin currents and ohmic heating. The proposed research addresses these challenges, aiming to advance existing and to spark novel device concepts. The objective is to overcome the polarization constraints for pure spin currents and to utilize thermal effects for the generation of customizable spin torques. In the course of this research, graduate and undergraduate students will be trained in state-of-the-art experimental skills of device fabrications, material characterization, and magnetic spectroscopy. The proposal contains an outreach component that targets local school teachers who will receive training in electromagnetism and spintronics concepts. Moreover, an outreach program for a local science and arts event will be developed and presented to the students.The proposed approach utilizes spin-orbit torques in metallic ferromagnets (such as anomalous Hall effect and planar Hall effect) and furthermore investigates thermal spin injection via spin Seebeck effect in coupled two-ferromagnet systems. It is planned to fabricate nanowire devices from bilayers consisting of an insulating ferrimagnet and a metallic ferromagnet, where the latter serves as spin injector. Spin torque ferromagnetic resonance measurements will be carried out to assess spin dynamics in these coupled spin systems and to investigate the spin torques due to the spin-orbit and thermal effects. Furthermore, spin injectors with perpendicular and oblique spin polarizations will be engineered and implemented in novel spin-electronic applications, such as perpendicular spin torque oscillators, spin superfluid conveyors, and antiferromagnetic planar switches. The research will result in engineering concepts for spin-charge and spin-heat transducers and stimulate the development of novel magneto-electronic devices. It will, furthermore, provide incentive experimental data for further development of fundamental concepts in the areas of spin-orbitronics and spin-caloritronics. The devices developed in the course of the proposed research will serve the proof-of-concept and prototypical purposes.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
自旋电子学有潜力通过提供用于信息存储、处理和传输的节能磁性设备来彻底改变信息技术。许多现有的和提出的设备依赖于用于控制磁化动力学和操纵纳米级设备的磁状态的自旋扭矩。突出的例子是磁开关和自旋扭矩振荡器。自旋扭矩振荡器可用于创建局部微波场,协助硬盘驱动器中的磁写入。此外,它们可以通过将自旋波发射到磁波导中来传输信息。这种振荡器表现出丰富的非线性现象,这使得它们在新兴的神经形态计算范式中成为特别有吸引力的设备候选者。自旋扭矩装置设计和实现的核心先决条件是高效节能地生成定制自旋扭矩。自旋扭矩由注入磁性装置元件的自旋电流施加。目前,下一代器件发展的主要瓶颈是纯自旋电流的极化方向和欧姆加热的限制。拟议的研究解决了这些挑战,旨在推进现有的并激发新颖的设备概念。目标是克服纯自旋电流的极化限制,并利用热效应来生成可定制的自旋扭矩。 在这项研究过程中,研究生和本科生将接受最先进的器件制造、材料表征和磁光谱实验技能的培训。该提案包含一个针对当地学校教师的外展部分,他们将接受电磁学和自旋电子学概念的培训。此外,还将制定并向学生展示当地科学和艺术活动的外展计划。所提出的方法利用金属铁磁体中的自旋轨道扭矩(例如反常霍尔效应和平面霍尔效应),并进一步研究通过热自旋注入耦合两个铁磁体系统中的自旋塞贝克效应。计划用由绝缘亚铁磁体和金属铁磁体组成的双层制造纳米线器件,其中后者充当自旋注入器。将进行自旋扭矩铁磁共振测量,以评估这些耦合自旋系统中的自旋动力学,并研究由自旋轨道和热效应引起的自旋扭矩。此外,具有垂直和倾斜自旋极化的自旋注入器将在新型自旋电子应用中设计和实现,例如垂直自旋扭矩振荡器、自旋超流体传送器和反铁磁平面开关。该研究将产生自旋电荷和自旋热传感器的工程概念,并刺激新型磁电子器件的发展。此外,它还将为自旋轨道电子学和自旋热电子学领域的基本概念的进一步发展提供激励实验数据。在拟议研究过程中开发的设备将用于概念验证和原型目的。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(11)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Freestanding Positionable Microwave-Antenna Device for Magneto-Optical Spectroscopy Experiments
用于磁光光谱实验的独立式可定位微波天线装置
  • DOI:
    10.1103/physrevapplied.13.054009
  • 发表时间:
    2020-05
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Hache, T.;Vaňatka, M.;Flajšman, L.;Weinhold, T.;Hula, T.;Ciubotariu, O.;Albrecht, M.;Arkook, B.;Barsukov, I.;Fallarino, L.;et al
  • 通讯作者:
    et al
Controlling Selection Rules for Magnon Scattering in Nanomagnets by Spatial Symmetry Breaking
通过空间对称性破缺控制纳米磁体磁振子散射的选择规则
  • DOI:
    10.1103/physrevapplied.19.044087
  • 发表时间:
    2023-04-27
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Arezoo Etesamirad;Julia Kharlan;Rodolfo Rodriguez;I. Barsukov;R. Verba
  • 通讯作者:
    R. Verba
Robust spin injection via thermal magnon pumping in antiferromagnet/ferromagnet hybrid systems
在反铁磁体/铁磁体混合系统中通过热磁振子泵浦实现鲁棒自旋注入
  • DOI:
    10.1103/physrevresearch.4.033139
  • 发表时间:
    2022-08-22
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.2
  • 作者:
    Rodolfo Rodriguez;Shirash Regmi;Hantao Zhang;Wei Yuan;Pavlo Makushko;E. Montoya;Ihor Veremchuk;R. Hübner;D. Makarov;Jing Shi;R. Cheng;I. Barsukov
  • 通讯作者:
    I. Barsukov
Theory of inertial spin dynamics in anisotropic ferromagnets
各向异性铁磁体的惯性自旋动力学理论
  • DOI:
    10.1103/physrevb.106.054428
  • 发表时间:
    2022-08
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Cherkasskii, Mikhail;Barsukov, Igor;Mondal, Ritwik;Farle, Michael;Semisalova, Anna
  • 通讯作者:
    Semisalova, Anna
First- and second-order magnetic anisotropy and damping of europium iron garnet under high strain
高应变下铕铁石榴石的一阶、二阶磁各向异性及阻尼
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2021-12
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Ortiz, Víctor H.;Arkook, Bassim;Li, Junxue;Aldosary, Mohammed;Biggerstaff, Mason;Yuan, Wei;Warren, Chad;Kodera, Yasuhiro;Garay, Javier E.;Barsukov, Igor;et al
  • 通讯作者:
    et al
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Exploration of expanded carbohydrate chemical space to access biological activity using microwave-induced acid condensation of simple sugars
  • DOI:
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  • 期刊:
  • 影响因子:
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  • 通讯作者:
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    2024-01-26
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    0
  • 作者:
    Manasa Ch;uri;uri;Abhishek Kumar;D. Weiss;Nir Emuna;Igor Barsukov;Muisi Shi;Keiichiro Tanaka;Xinzhe Wang;A. Datye;Jean Kanyo;Florine Collin;Tukiet T. Lam;Udo D. Schwarz;Suxia Bai;Timothy Nottoli;B. Goult;J. Humphrey;Martin A. Schwartz
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  • 发表时间:
    2024-02-29
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Teresa Almeida;Eleanor Hargreaves;Tobias Zech;Igor Barsukov
  • 通讯作者:
    Igor Barsukov
The 2024 magnonics roadmap
2024 年 Magnonics 路线图
  • DOI:
  • 发表时间:
    2024
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Benedetta Flebus;Dirk Grundler;B. Rana;Yoshichika Otani;Igor Barsukov;Anjan Barman;G. Gubbiotti;Pedro Landeros;J. Åkerman;Ursula S Ebels;P. Pirro;V. E. Demidov;Katrin Schultheiss;Gyorgy Csaba;Qi Wang;Dmitri E. Nikonov;F. Ciubotaru;Ping Che;Riccardo Hertel;T. Ono;Dmytro Afanasiev;J. Mentink;Theo Rasing;B. Hillebrands;Silvia Viola Kusminskiy;Wei Zhang;C. Du;A. Finco;T. van der Sar;Yunqiu Kelly Luo;Y. Shiota;J. Sklenar;Tao Yu;Jinwei Rao
  • 通讯作者:
    Jinwei Rao
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具有磁场调制的自旋扭矩铁磁共振
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2013-10-21
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    A. M. Gonçalves;Igor Barsukov;Y. Chen;Liu Yang;J. Katine;I. Krivorotov
  • 通讯作者:
    I. Krivorotov

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知道了