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Interconversion of charge, spin and heat currents in spintronic devices

English title Interconversion of charge, spin and heat currents in spintronic devices
Applicant Gambardella Pietro
Number 200465
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Departement Materialwissenschaft ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.06.2021 - 31.05.2025
Approved amount 820'696.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Condensed Matter Physics
Material Sciences

Keywords (3)

Magnetism; Spintronics; spin-orbit coupling

Lay Summary (Italian)

Lead
Le tecnologie dell'informazione e della comunicazione pervadono in modo crescente il tessuto economico e sociale a livello locale ed internazionale. L’aumento esponenziale dei dati prodotti e trasmessi in formato digitale richiede lo sviluppo di nuove tecnologie adatte per lo stoccaggio rapido di grandi quantitá di dati a basso consumo energetico. Questo progetto studia nuovi materiali e metodologie per sviluppare memorie magnetiche non volatili ad alta velocitá controllate con impulsi elettrici.
Lay summary

La possibilità di convertire impulsi elettrici in impulsi “magnetici” e vice versa rende possibile l’integrazione di memorie magnetiche e sensori magnetici con dispositivi semiconduttori. La ricerca in questo campo ha subito una grande accelerazione negli ultimi anni in seguito alla scoperta di fenomeni di interconversione tra correnti elettriche e cosiddette correnti magnetiche o di spin in materiali con forti proprietà di spin-orbita. Questi fenomeni permettono di invertire rapidamente la magnetizzazione di elementi nanostrutturati e di “leggerne” l’orientazione, quindi di codificare lo stato di un bit magnetico.  Allo stesso tempo, le correnti elettriche producono calore per dissipazione. Le correnti termiche che ne risultano possono anch’esse essere utilizzate per generare correnti di spin od attivare il movimento rapido di domini magnetici. L’obiettivo di questo progetto consiste in 1) studiare la combinazione di stimoli elettrici e termici per ottimizzare il controllo della magnetizzazione in dispositivi sub-microscopici, 2) sviluppare materiali che permettano maggiore efficienza di conversione tra i diversi stimoli, compatibilmente con processi di fabbricazione industriale. I risultati attesi da questo progetto permetteranno lo sviluppo di memorie magnetiche integrate ad alta efficienza nonché una migliore comprensione dei processi di trasporto legati allo spin elettronico.

Direct link to Lay Summary Last update: 17.05.2021

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
172775 Spin-orbitronics in ferromagnets and antiferromagnets 01.06.2017 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Processes that interconvert different forms of flow, such as charge and spin currents, or energy, such as thermal and magnetic excitations, allow for manipulating the magnetization of a diverse variety of materials. These processes appear prominently in spin-based electronic devices, which underpin modern technologies of magnetic storage and sensing. Whereas some of these processes have been known for a long time, recent insight into nonequilibrium phenomena induced by spin-orbit coupling in magnetic and nonmagnetic materials has opened new perspectives to control the interconversion of the magnetic, electronic, and phononic degrees of freedom in condensed matter systems. The main aim of this project is to test new concepts for generating and probing spin currents in transition metals and topological insulators and use spin-currents generated by spin-orbit coupling to efficiently control the dynamics of the magnetization in ferromagnets and ferrimagnets. To achieve this aim we propose activities that include the synthesis of material heterostructures, their physical characterization, the design of novel probes, and the prototyping of devices. In particular, we plan to probe the conversion of heat and spin currents in metals and topological insulators and time-resolve the magnetization dynamics driven by spin-orbit torques and thermal effects in ferromagnets and ferrimagnets. This project will take advantage of the complementary experimental approaches developed by our group over the last few years, which allow for mapping the spin and orbital accumulation in nonmagnetic materials, measure current-induced magnetization reversal with high temporal and spatial resolution, and realize synthetic magnets with tailored properties. Furthermore, we plan to develop new techniques to measure the Hall effect in real time during pulsed current injection, which might be applicable to a broad set of problems in condensed matter physics. Overall, we expect that this project will provide new insight into fundamental transport and magnetization phenomena and ultimately benefit the development of high-performance spintronic devices that integrate different types of functions and operate at high speed with minimum energy consumption.
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