Utilisation de systune

O campo efetivo total (eq. 2.38) atuante sobre cada célula de simulação é obtido através da soma vetorial dos campos discutidos previamente, seções 3.4 e 3.5. Pretende-se desvendar a configuração de equilíbrio desta estrutura, que é atingida quando o momento magnético de cada célula alinha-se com o campo total para cada densidade de corrente polarizada em spin. À medida em que a corrente aumenta, pretende-se encontrar a densidade de corrente crítica mínima para proporcionar a reversão da magnetização. Sendo assim, devemos encontrar a configuração que minimize o torque entre o momento magnético de cada célula e o campo que atua sobre ela.

A fim de obter a configuração do sistema em equilíbrio para cada densidade de corrente polarizada, utilizou-se o cálculo autoconsistente (Silva et al. (2011)). Tal método permite en- contrar a configuração de equilíbrio para um corpo magnetizado sem necessariamente descrever como a magnetização atinge o equilíbrio ao longo do tempo.

O cálculo baseia-se nos seguintes passos:

Figura 3.7: Fluxograma das etapas do Método Autoconsistente para cada intensidade de cor- rente elétrica polarizada em spin.

1. Inicializar o sistema com uma configuração magnética.

2. Calcular o campo médio local e o campo de Slonczewski sobre cada célula.

3. Comparar o valor calculado com a configuração magnética, através do torque entre as direções dos momentos magnéticos de cada célula e de seu campo total ( ~H′).

4. Se o torque for menor que o valor de tolerância, pequeno valor previamente estabelecido de modo a garantir que o torque entre o momento magnético local de cada célula seja mínimo, aceita-se que esta é a configuração de equilíbrio do sistema.

5. Caso contrário, os momentos são alinhados com o campo médio calculado, então, retorna- se para o passo 2 para calcular novamente o campo médio sobre cada célula.

6. A configuração de equilíbrio é encontrada quando o teste do torque dos momentos mag- néticos for obedecido.

O procedimento é repetido até obter-se um torque menor que o valor de tolerância ou até que o número máximo de interações seja extrapolado. Assim, ele garante que os momentos magnéticos locais apontem na mesma direção do campo efetivo.

REVERSÃO DA MAGNETIZAÇÃO POR DENSIDADE DE

CORRENTE POLARIZADA EM SPIN

O entendimento e controle da reversão da magnetização por densidade de corrente polarizada em spin possui elevado potencial para o desenvolvimento de novos dispositivos tec- nológicos, como as células de MRAM. A estabilidade magnética de nanoelementos ferromag- néticos, com dimensão submicrométrica, se deve amplamente à anisotropia de forma. A geo- metria do sistema magnético pode ser convenientemente manipulada a fim de alterar a ordem magnética de células de MRAM. Portanto, desde que a estabilidade térmica não seja compro- metida, pode-se buscar sistemas de baixa densidade de corrente de reversão para aplicações em dispositivos nessa configuração.

4.1

Processo de Reversão da Magnetização

O efeito de torque por transferência de spin, capaz de reverter a orientação da mag- netização de um ferromagneto, ocorre quando uma corrente elétrica polarizada flui através de um nanopilar, tipicamente composto por duas camadas ferromagnéticas separadas por uma fina camada espaçadora não magnética (figura 4.1), e seu torque magnético é suficiente para mudar o sentido da magnetização do sistema magnético de interesse.

A camada fixa de referência, com magnetização "fixa", é composta pelo material pola- rizador e é construída de modo a ser estável magneticamente, enquanto a camada livre é aquela na qual a magnetização pode ser revertida. O material não magnético é inserido no meio da es- trutura para evitar o acoplamento de troca das camadas ferromagnéticas, tal que a magnetização da camada de reversão possa ser alterada pela corrente elétrica polarizada de forma a armazenar a informação (Benetti (2012)). Sendo assim, sua espessura deve ser controlada de acordo com

o comprimento de difusão, distância que o elétron percorre sem que a informação do spin seja perdida (Shinjo (2009)).

Figura 4.1: Representação de uma célula de MRAM, destacando-se a estrutura de nanopilar onde ocorre o processo de reversão.

Memórias tipo MRAM convencionais utilizam uma estrutura de nanopilar conhecida como Válvula de Spin (SV), na qual as camadas ferromagnéticas são separadas por uma ca- mada condutora. Baseada no efeito de Magnetorresistência Gigante (GMR), as SV modifica- ram a tecnologia das cabeçotes de leitura na década de 90 (Freitas et al. (2007)). A GMR é um fenômeno quântico que surge devido à assimetria no espalhamento de elétrons e é obtida pelo alinhamento da magnetização das camadas ferromagnéticas (Baibich et al. (1988)). Quando a magnetização das camadas se orientam em direções paralelas, observa-se um estado de baixa resistência. Já para um alinhamento antiparalelo, há um considerável aumento da resistência (figura 4.2). A redução da resistência do sistema magnético, devido ao alinhamento da magne- tização das camadas ferromagnéticas, é medida pela razão GMR, que atinge valores da ordem de 18% (Hasegawa et al. (2002)).

Figura 4.2: Variação da resistência para os dois estados da orientação da magnetização da ca- mada livre (sistema binário) em relação à camada de referência.

Quando o espaçador não magnético é um material isolante, atuando como uma bar- reira de potencial (barreira túnel), a nanoestrutura é conhecida como Junção Túnel Magnética (MTJ). Analogamente à Válvula de Spin, o estado de baixa resistência é obtido quando as mag- netizações das camadas estão em um estado paralelo, enquanto o estado antiparalelo apresenta uma alta resistência. Entretanto, a variação da resistência devido ao efeito de Magnetorresis- tência de Tunelamento (TMR) pode alcançar valores muito elevados. O estudo realizado por Ikeda et al. (2008) com MTJ de CoFeB/MgO/CoFeB aponta uma razão TMR acima de 600%, à temperatura ambiente.

O processo de reversão utilizado neste estudo, representado na figura 4.3, ocorre devido à transmissão de elétrons. A corrente elétrica injetada flui no sentido da camada de referência para a camada de reversão. Os elétrons passam pela camada fixa, onde a corrente é polarizada em spin e se encaminham para a camada não magnética, onde sua polarização é mantida. A corrente então flui para a camada livre do nanopilar, transferindo momento angular dos elétrons para os momentos magnéticos locais, ou seja, exercendo um torque na magnetização da camada livre a fim de alinhá-la com a magnetização do polarizador.

Figura 4.3: Figura esquemática do efeito de torque por transferência de spin na magnetização da camada livre do nanopilar.

Destaca-se que a reversão da magnetização devido ao efeito STT ocorre apenas quando a densidade de corrente polarizada em spin atinge um valor mínimo. Essa densidade de corrente crítica pode variar de acordo com as características da nanoestrutura magnética de interesse.