具有合成反铁磁体的双自由层随机磁隧道结
介观与纳米尺度物理
2024-05-03 v2 新兴技术
摘要
使用低势垒纳米磁体的随机磁隧道结（sMTJ）已显示出作为概率计算的快速、节能且可扩展基本单元的潜力。尽管近期取得了实验与理论进展，仍缺乏具备概率比特（p-bit）所需理想特性的 sMTJ。理想情况下，sMTJ 应具有以下特性：(a) 电压偏置无关性以防止读取干扰；(b) 自由层间磁化角度的均匀随机性；(c) 快速涨落且无需外部磁场，同时对磁场扰动具有鲁棒性。在此，我们提出一种满足所有这些要求的新设计，即采用具有合成反铁磁体（SAF）的双自由层 sMTJ。我们利用经实验标定的自旋电路模型（考虑输运物理）并结合随机 Landau-Lifshitz-Gilbert 方程描述磁化动力学，对所提出的 sMTJ 设计进行评估。我们发现，使用低势垒 SAF 层可减小偶极耦合，若纳米磁体可做得足够薄（- nm），则能在零磁场下实现不相关涨落并维持至直径超过（ nm）。双自由层结构保持了偏置无关性，纳米磁体的圆形特性提供了具有快速涨落的近均匀随机性。将我们的完整 sMTJ 模型与先进晶体管模型结合，我们估算生成随机比特的能量约为 3.6 fJ，每个 p-bit 的涨落速率约为 3.3 GHz。我们的结果将指导用于机器学习和人工智能相关问题的规模化、高能效概率计算的优异随机磁隧道结的实验开发。
引用
@article{arxiv.2311.06642,
title = {Double-Free-Layer Stochastic Magnetic Tunnel Junctions with Synthetic Antiferromagnets},
author = {Kemal Selcuk and Shun Kanai and Rikuto Ota and Hideo Ohno and Shunsuke Fukami and Kerem Y. Camsari},
journal= {arXiv preprint arXiv:2311.06642},
year = {2024}
}