KR102265682B1 - 양자 컴퓨팅 장치 스핀 전달 토크 자기 메모리 - Google Patents

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Abstract

양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리가 설명된다. 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리는 적어도 1 큐비트(qubit)에 해당하는 적어도 하나의 양자 소자를 포함하는 양자 처리장치와 결합되어있다. 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리는 양자 소자(들) 및 자기 저장 셀들에 결합된 비트 라인들과 결합된 자기 저장 셀들을 포함한다. 각각의 자기 저장 셀들은 적어도 하나의 자기 접합을 포함한다. 자기 접합(들)은 기준층, 비자성 스페이서층, 및 자유층을 포함한다. 비자성 스페이서층은 기준층과 자유층 사이에 배치된다. 자기 접합(들)은 자유층이 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있도록 구성된다. 자기 접합(들)은 자유층이 열적 변동들의 부존재 내에서 0이 아닌(nonzero) 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성된다.

Description

양자 컴퓨팅 장치 스핀 전달 토크 자기 메모리{Quantum Computing device Spin Transfer Torque Magnetic Memory}
본 발명은 자기 메모리들에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양자 컴퓨팅 장치에 사용할 수 있는 자기 메모리들에 관한 것이다.
양자 컴퓨터는 계산들의 수행을 위해 양자 역학적 이론들을 이용한다. 그리고 양자 소자는 양자 컴퓨팅 소자의 처리장치를 형성한다. 작동에 있어서, 양자 역학적 현상은 양자 상태들의 중첩을 포함할 수 있다. (동시에 다중 상태들이 허용되는 양자 역학의 확률적 환경) 양자 소자들은 양자 역학적 자기 상태들을 가지는 초전도 양자간섭계(SQUID)를 포함할 수 있다. SQUID는 양자 컴퓨팅 장치의 양자 비트(qubit)에 해당할 수 있다. 어떤 온도에서 SQUID는 위에서 언급한 중첩 상태를 나타내는 동시 다중 자기 상태들로 존재할 수 있다. 다중 상태들의 존재는 양자 컴퓨팅 장치가 일반적인 결정론적 컴퓨터보다 더 빠른 계산들을 수행하도록할 수 있다.
현재 양자 컴퓨팅 장치들의 대부분은 매우 낮은 온도에서 원하는 계산들을 수행하기에 충분한 시간동안 큐비트(qubit)가 중첩상태들을 유지할 수 있도록 작동한다. 나아가, 계산 속도는 온도가 내려갈수록 증가할 수 있다. 따라서, 양자 컴퓨팅 장치의 관련 부분들의 작동 온도는 10 K 이하가 좋다.
일반적인 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리들은 저장 요소들로 조셉슨(Josephson) 접합을 이용하는 저장 셀들을 포함한다. 일반적인 양자 컴퓨팅 장치 메모리의 저장 셀들은 큐비트(qubit)들에만 관련된 것일 수 있다. 예를 들어, SQUID들 및 조셉슨 접합들의 조직은 양자 컴퓨팅 장치의 처리장치 및 메모리들을 형성할 수 있다. 비록 별개로 다룰 수 있을 지라도, 자기 메모리 저장 셀들은 큐비트에 해당하는 양자 소자에 물리적으로 가까울 수 있다. 양자 컴퓨터들의 자기 메모리들은 일반적으로 처리가 수행되는 매우 낮은 온도들에서 작동한다. 비록 큐비트를 저장하는 것이라고 기재하였지만, 자기 메모리에 저장되는 상태는 양자 소자의 단일 상태이다. 다르게 말하면, 양자 소자는 큐비트의 다중 확률 상태들이 자기 메모리의 저장을 위한 하나의 결정론적 상태로 붕괴될 수 있도록 측정될 수 있다.
비록 일반적인 양자 컴퓨팅 장치 및 그것들의 메모리들이 정상적으로 기능할 수 있지만, 양자 컴퓨팅 장치의 개발에 따라, 추가 메모리들이 요구되고 있다. 그러한 양자 컴퓨팅 장치 메모리들은 양자 컴퓨팅 장치들에서 사용되는 매우 낮은 온도에서 빠르게 작동할 수 있을 것이 요구될 수 있다. 다른 일반적인 자기 메모리들에 의해 사용되는 자기 장치들은 그러한 양자 컴퓨팅 장치 메모리들에 적합하지 않을 수 있다. 예를 들어, 일반적인 자기 터널링 접합들은 저온에서 너무 높은 저항을 가지고, 낮은 온도에서 프로그램하기에 너무 느릴 수 있고, 다른 문제들도 가질 수 있으므로 양자 컴퓨팅 장치들에 일반적으로 사용되지 않는다.
따라서, 10 K 이하의 저온에서 작동될 수 있는 빠른 자기 메모리들을 제공하는 방법 및 시스템이 요구된다. 몇몇 경우들에서, 더 바람직하게 1 K 이하의 작동 온도가 요구 될 수 있다. 본 명세서에서 설명된 방법 및 시스템은 이러한 필요를 다룬다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 양자 컴퓨팅 장치에서 사용할 수 있는 자기 메모리를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 자기 메모리를 사용한 양자 컴퓨팅 장치를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 자기 메모리의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
예시적인 실시예들은 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리들의 제공에 대한 방법 및 시스템을 제공한다. 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리는 적어도 1 큐비트에 해당하는 적어도 하나의 양자 소자를 포함하는 양자 처리장치와 결합되어있다. 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리는 양자 소자(들) 및 자기 저장 셀들에 결합된 비트 라인들과 결합된 자기 저장 셀들을 포함한다. 각각의 자기 저장 셀들은 적어도 하나의 자기 접합을 포함한다. 자기 접합(들)은 기준층, 비자성 스페이서층, 및 자유층을 포함한다. 비자성 스페이서층은 기준층과 자유층 사이에 배치된다. 자기 접합(들)은 자유층이 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치 될 수 있도록 구성된다. 자기 접합(들)은 자유층이 열적 변동들의 부존재 내에서 0이 아닌(nonzero) 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성된다.
본 발명의 자기 메모리에 따르면, 성능이 향상된 자기 메모리가 제공된다.
도 1은 양자 컴퓨팅 장치의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 2는 낮은 온도에서 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합을 포함하는 자기 저장 셀의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3은 낮은 온도에서 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합을 포함하는 자기 메모리의 한 부분의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 4는 낮은 온도에서 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합을 포함하는 자기 메모리의 한 부분의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 5는 낮은 온도에서 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합을 포함하는 자기 메모리의 한 부분의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 6은 낮은 온도에서 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합을 포함하는 자기 메모리의 한 부분의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 7은 낮은 온도에서 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합을 포함하는 자기 메모리의 한 부분의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 8은 낮은 온도에서 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합을 포함하는 자기 메모리의 한 부분의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 9는 낮은 온도에서 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합을 포함하는 자기 메모리의 한 부분의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 10은 낮은 온도에서 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합을 포함하는 자기 메모리의 한 부분의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 11은 낮은 온도에서 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합을 포함하는 자기 메모리의 한 부분의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 12a-12b는 낮은 온도에서 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합을 포함하는 자기 메모리의 한 부분의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 13a-13b는 낮은 온도에서 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합을 포함하는 자기 메모리의 한 부분의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 14는 낮은 온도에서 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합을 포함하는 자기 메모리의 한 부분의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 15는 낮은 온도에서 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합을 포함하는 자기 메모리의 한 부분의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 16은 낮은 온도에서 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합을 포함하는 자기 메모리의 한 부분의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 17은 낮은 온도에서 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합을 포함하는 자기 메모리의 한 부분의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 18은 낮은 온도에서 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합을 포함하는 자기 메모리의 한 부분의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 19는 낮은 온도에서 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합을 포함하는 자기 메모리의 한 부분의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 20은 낮은 온도에서 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합을 포함하는 자기 메모리의 한 부분의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 21은 낮은 온도에서 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합을 포함하는 자기 메모리의 한 부분의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 22는 낮은 온도에서 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합을 포함하는 자기 메모리의 한 부분의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 23은 낮은 온도에서 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합을 포함하는 자기 메모리의 한 부분의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 24는 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리 제조 방법의 예시적인 실시예를 도시한다.
상기 예시적인 실시예들은 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리들 및 그 안의 자기 접합들에 관한 것이다. 이하의 설명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시할 수 있도록 제공되었으며, 특허 출원 및 그 요구사항의 일부로 제공된다. 본 명세서에 기재된 예시적인 실시예들, 일반적인 원리들 및 특징들에 대한 다양한 변형들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 수 있다. 예시적인 실시예들은 주로 특정 구현들에서 제공되는 특정한 방법들 및 시스템들의 관점에서 기술되었으나, 상기 방법들 및 시스템들은 다른 구현에서도 유효하게 작동할 수 있다. "예시적인 실시예", "일 실시예", 및 "다른 실시예"와 같은 문구는 복수의 실시예들 뿐만 아니라 동일하거나 다른 실시예들을 언급하는 것일 수 있다. 실시예들은 일정 구성들을 갖는 시스템들 및/또는 장치들에 대하여 기술될 것이나, 상기 시스템들 및/또는 상기 장치들은 도시된 구성들보다 많거나 적은 구성들을 포함할 수 있고, 구성 요소들의 배치 및 형태에 대한 변화가 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있다. 또한, 예시적인 실시예들은 일정한 단계들을 갖는 특정한 방법들의 맥락에서 기술될 수 있으나, 이러한 방법 및 시스템은 다른 및/또는 추가적인 단계들을 갖는 다른 방법들 및 예시적인 실시예들에 모순되지 않는 다른 순서들의 단계들을 갖는 다른 방법들에서 유효하게 작동할 수 있다. 따라서, 본 발명은 도시된 실시예들에 한정되지 않으며, 본 명세서에 기재된 원리들 및 형태들과 모순되지 않는 가장 넓은 범위에 따른다.
예시적인 실시예들은 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리들을 제공한다. 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리는 적어도 1 큐비트에 해당하는 적어도 하나의 양자 소자를 포함하는 양자 처리장치와 결합된다. 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리는 양자 소자(들) 및 자기 저장 셀들에 결합된 비트 라인들과 결합된 자기 저장 셀들을 포함한다. 각각의 자기 저장 셀들은 적어도 하나의 자기 접합을 포함한다. 자기 접합(들)은 기준층, 비자성 스페이서층, 및 자유층을 포함한다. 비자성 스페이서층은 기준층과 자유층 사이에 배치된다. 자기 접합(들)은 자유층이 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치 될 수 있도록 구성된다. 자기 접합(들)은 자유층이 열적 변동들의 부존재 내에서 0이 아닌(nonzero) 초기 쓰기 스핀 전달 토크를 가지도록 구성된다.
예시적인 실시예들은 특정한 자기 접합들 및 어떤 구성요소들을 가지는 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리들의 맥락에서 기술된다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명에 모순되지 않는 다른 및/또는 추가적인 구성요소들 및/또는 다른 특징들을 갖는 양자 접합들 및 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리들의 사용과 일관성이 있음을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 방법 및 시스템은 스핀 전달 현상, 자기 이방성, 및 다른 물리적 현상에 대한 현재 이해의 맥락에서 설명된다. 그 결과, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 방법 및 시스템의 작동에 대한 이론적 설명들은 스핀 전달, 자기 이방성 및 다른 물리적 현상들에 대한 현재의 이해에 기반함을 쉽게 인식할 것이다. 하지만, 본 명세서에 기재된 방법 및 시스템은 특정한 물리적 설명에 의존하지 않는다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 방법 및 시스템이 기판과 특정한 관계를 갖는 구조의 맥락에서 설명됨을 쉽게 인식할 것이다. 하지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 방법 및 시스템은 다른 구조들과도 일관성을 가짐을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 방법과 시스템은 합성 및/또는 단일 층들의 맥락에서 설명된다. 하지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 다른 층들이 또 다른 구조를 가질 수 있음을 쉽게 인식할 것이다. 나아가, 상기 방법 및 시스템은 특정한 층들을 가지는 자기 접합들 및/또는 하부구조들의 맥락에서 설명된다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 방법 및 시스템에 모순되지 않는 추가적인 및/또는 다른 층들을 가지는 자기 접합들 및/또는 하부 구조들 또한 사용될 수 있음을 쉽게 인식할 것이다. 나아가, 본 명세서에서 사용된 것과 같이, 자성(magnetic)또는 강자성(ferromagnetic)이란 용어는 강자성체들(ferromagnets) 및 페리자성체들(ferrimagnets)을 포함하나, 이에 한정되진 않는다. 상기 방법 및 시스템은 또한 단일 자기 접합들 및 하부 구조들의 맥락에서 설명된다. 하지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 방법 및 시스템이 다중 자기 접합들을 가지고 다중 하부 구조들을 사용하는 자기 메모리들의 사용과 일관된다는 것을 쉽게 인식할 것이다. 나아가, 본 명세서에서 사용된 것과 같이, 면 내(in-plane)는 실질적으로 하나 이상의 자기 접합 층들의 면 내에 있거나 그 면에 평행한 것이다. 반대로, 수직(perpendicular)은 실질적으로 하나 이상의 자기 접합 층들에 수직한 방향에 해당한다.
도 1은 양자 컴퓨팅 장치(100)의 예시적인 실시예가 도시된 블록 선도(block diagram)이다. 도 1은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니고, 양자 컴퓨팅 장치(100)의 일 부분들은 도시되지 않는다. 양자 컴퓨팅 장치(100)는 양자 처리장치(110), 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120) 및 입/출력(I/O) 장치(104)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 양자 처리장치(110) 및 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)는 저온 환경(102) 내에 위치한다. 본 명세서에서 사용되는 것과 같이, 저온 환경은 상온(대략 25)보다 상당히 낮다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 저온 환경(102)는 10 K보다 낮은 온도(들)을 포함한다. 그러한 실시예들에서, 온도는 1 K보다 낮을 수 있다. 저온 환경(102)은 양자 처리장치(110)의 요구되는 작동 온도(들)이다. 양자 처리장치(110)는 양자 소자들(112)을 포함한다. 단순화를 위해 하나로만 도시된다. 양자 소자(112)는 SQUID 또는 하나 또는 그 이상의 큐비트에 해당하는 유사 양자 소자일 수 있다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 저온 환경(102)은 SQUID의 작동 온도일 수 있다. 다른 실시예들에서, 저온 환경(102)은 양자 처리장치(110) 및/또는 자기 메모리(120)에 사용될 수 있는 초전도 회로를 이용하기에 충분히 낮을 수 있다.
양자 처리장치(110)는 자기 메모리(120)와 결합된다. 자기 메모리(120)는 실질적으로 양자 처리장치(110)와 같은 온도에서 작동하는 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리이다. 따라서, 자기 메모리(120)는 10 K 이하의 온도에서 작동할 수 있고, 몇몇 실시예들에서 1 K이하에서 작동할 수 있다. 다른 실시예들에서, 자기 메모리(120)는 양자 컴퓨팅 장치(100)의 초전도 회로에 적합한 저온에서 작동한다.
양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)는 저장 셀들(124)(단순화를 위해 2개만 도시) 및 비트 라인들(122)을 포함한다. 저장 셀들(124)은 비트 라인들(122) 및, 몇몇 실시예들에서는, 선택 장치(들), 워드 라인들 및/또는 다른 라인들과 같은 추가적인 회로를 이용하여 어드레스(address)될 수 있다. 따라서 비트 라인(122)은 저장 셀들(124)과 결합되고, I/O(104) 및/또는 양자 처리장치(110)과 연결될 수 있다. 저장 셀들(124)은 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(100)에서 어레이로 배열될 수 있다. 저장 셀들(124)이 양자 처리장치(110)의 양자 소자들(112)의 상태들을 저장하기 때문에 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)는 양자 처리장치(110)와 결합되도록 도시된다. 몇몇 실시예들에서, 저장 셀들(124)은 양자 장치들(112)과 인접하여 삽입될 수 있다. 예를 들어, 큐비트를 저장하는 저장 셀(124)은 양자 장치(112)와 물리적으로 가깝고 강하게 연결될 수 있다. 따라서 양자 처리장치(110) 및 자기 메모리(120)는 양자 처리장치 메모리 조직을 형성할 수 있다. 다만, 다른 실시예들에서, 자기 메모리(120) 및 양자 처리장치(110)는 분리된 위치들에 있을 수 있고/또는, 일반적인 RAM(random access memory)과 유사한 방법으로 다중 양자 소자들(112)로부터 큐비트들을 저장할 수 있다. 하지만, 두 가지 경우 모두 양자 처리장치(110) 및 자기 메모리(120)는 모두 저온 환경(102) 내에 있을 수 있다.
자기 메모리(120)는 저온 환경(102)에서 작동하고, 양자 처리장치(110)의 속도를 이용하기에 충분히 빠를 것이 요구되기 때문에, 상온 이상의 온도에서 작동하도록 고안된 자기 메모리들과 다른 제약이 있을 수 있다. 특히, 자기 접합(도 1에 미도시)의 저항은 저온 환경(102)에서의 낮은/작동 온도(들)에서 10 보다 크지 않을 것이 요구된다. 몇몇 실시예들에서, 상기 저항은 10 보다 낮다. 나아가, 자기 접합들의 자기 이방성이 작을 것과 상기 메모리의 저장 셀들(124)이 원하는 허용 범위 내에 있도록 충분히 제어될 것이 요구될 수 있다. 결과적으로, 내부 이동 자계(internal shift field), 또는 자기 접합 내의 층들로 인한 알짜 자기장은 작을 것이 요구될 수 있다. 작은 이방성은 자기 메모리(120)의 프로그래밍에 사용되는 기록 전류를 줄일 수 있다. 예를 들어, 사용되는 최대 기록 전류 밀도는 10 MA/cm2일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상기 기록 전류 밀도는 0.1 MA/cm2내지 5 MA/cm2일 수 있다. 몇몇 그러한 실시예들에서, 상기 기록 전류 밀도는 0.5 MA/cm2내지 5 MA/cm2일 수 있다. 나아가, 스핀 전달 토크(STT) 자기 메모리들에서, 자기 접합의 자기 상태는 자기 접합을 통하여 흐르는 스핀 분극 전류를 이용하여 스위치 될 수 있다. 하지만, 대부분의 일반적인 STT 자기 메모리들은 정체점에서 안정적인 상태를 가진다. 열적 변동들은 STT가 그러한 자기상태에서 0이 아닌 토크를 발생시킬 수 있도록 자유층의 자기모멘트를 정체점으로부터 끌어당긴다. 그러한 일반적인 자기 메모리들은 자유층의 자기 모멘트에 대한 0의 초기 토크를 가진다. 자기 메모리(120)는 저온 환경에 있기 때문에, 이들 열적 변동들은 0 또는 0 근방에 있을 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 사용된 것과 같이, 열적 변동들(zero thermal fluctuations)또는 열적 변동없이(without thermal fluctuations)는 저온 환경(102) 내에서의 자기 메모리(120)에서 예상되는 작은 열적 변동에 해당한다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 열적 변동들없이(without thermal fluctuations)는 0의 열적 변동과 동일한 의미는 아니며, 저온 환경(102)에서 예상되는 열적 변동들의 크기를 의미한다. 열적 변동의 부족은 STT를 이용한 자기 메모리(120)의 프로그래밍이 더 어렵다는 것과, 이에 따라, 긴 기록 시간 및/또는 많은 기록 전류가 필요하다는 것을 의미하므로 일반적인 STT 자기 메모리들은 저온 환경(102)에서 사용되기에 적합하지 않다. 대조적으로, 자기 메모리(120)는 저온 환경(102)에서도/열적 변동들이 없어도 초기 스핀 전달 토크가 0이 아니도록 구성된다. 예를 들어, 자기 메모리(120)의 스위칭 속도는 적어도 50 피코초~50 나노초일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 저장 셀(124)의 스위칭 속도는 100 피코초~20 나노초일 수 있다.
도 2는 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)에서 자기 저장 셀(124)로써 이용되는 자기 저장 셀(124)의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 2는 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니고, 양자 컴퓨팅 장치(100)의 일 부분들은 도시되지 않았다. 도 1 및 2에서 언급된 바와 같이, 자기 저장 셀(124)은 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)의 비트 라인(122)과 결합된다. 자기 접합(124)은 자기 접합(130) 및, 선택적으로, 선택 소자(140)를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 선택소자(140)는 생략될 수 있고 선택은 다른 방법에 의해 이루어질 수 있다. 나아가, 자기 저장 셀(124)은 각각 서로 동일한 또는 다른 다중 자기 접합(130)을 포함할 수 있다.
자기 접합(130)은 자기 접합(130)이 데이터를 저장할 수 있고, 수용가능한 데이터 속도 및 에러율들(data and error rates)로 읽고 쓰기 가능하고, 저온 환경(102)에서 충분히 적은 기록 전류를 갖도록 구성된다. 자기 접합(130)은 적어도 몇몇은 선택적인 여러 층들을 포함한다. 자기 접합(130)은 선택적인 고정층(pinning layer)(131), 피고정층(pinned layer) 또는 기준층(132), 비자성 스페이서 층(133), 데이터가 자기적으로 저장되는 자유층(134), 선택적 추가적인 비자성 스페이서층(135), 선택적 추가적인 피고정층 또는 기준층(136) 및 선택적 추가적 고정층(137)을 포함한다. 고정층들(131 및 137)은 기준층(132)의 자기 모멘트(들)을 고정(fixed) 또는 피닝(pinning) 하는데 사용되는 반강자성(AFM) 층(들)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고정층(들)(131 및/또는 137)은 PtMn, IrMn, FeRh, FeRhRu 및/또는 다른 AFM 물질들을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 기준층(들)(132 및 136)의 자기 모멘트(들)은 또 다른 방법에 의해 고정될 수 있다. 다른 실시예들에서, 기준층(132 및/또는 136)의 내부 이방성은 요구되는 작동을 위한 그들의 자기 모멘트(들)을 고정하기에 충분할 수 있다. 비자성 스페이서 층(133) 및, 몇몇 실시예들에서, 선택적 추가적 비자성 스페이서 층(135)은 금속성일 수 있다. 예를 들어, 비자성 스페이서 층(들)(133 및/또는 135)은 Ag, AgSn, Cu, Cr 및 Ge 중의 하나 또는 그이상과 같은 물질들을 포함한다. 결과적으로, 자기 접합(130)의 저항은 저온 환경(102)에서도 요구되는 범위 내일 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 자기 접합(130)의 저항은 저온 환경에서 1 내지 10 (예를 들어, 0.01 W-mm2보다 크지 않은 저항-면적(RA) 곱)이다.
기준층(132), 자유층(134) 및 선택적 추가적 기준층(136)은 자성을 가진다. 따라서 상기 층들(132, 134 및 136)은 Co, Ni, Fe 및/또는 그들의 합금들 뿐 아니라 다른 물질들과 같은 자기적 물질들을 포함할 수 있다. 하나 또는 그 이상의 층들(132, 134 및 136)은 다중 하부층(들)을 포함할 수 있다. 몇몇 또는 전부의 하부층들은 자성을 가진다. 예를 들어, 기준층(132), 자유층(134) 및 선택적 추가적 기준층(136) 중의 하나 또는 그 이상은 비자성층(들)이 샌드위칭(sandwiching)되도록 삽입된 다중 강자성 층들을 포함하는 합성 반강자성체(SAF)일 수 있다. 이러한 다중 층에서, 강자성 하부 층들은 비자성 스페이서 층들을 통하여 자기적으로 결합될 수 있고, 반강자성적으로 정렬될 수 있다. 다른 다중층에서, 강자성 하부층들은 강자성적으로 정렬될 수 있다. 예를 들어, Co/Pt, Fe/Pt, Co/Pd, 및/또는 Fe/Pd 다중층들은 기준층(들)(132 및/또는 136)에 요구되는 수직 이방성을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, Co/Fe-Pt/Pd 조합물들(다중층들 및/또는 합금들), Fe/W 다중층들, FeTb, CoFeTb, GdFe, 및/또는 GdFeTb, 및/또는 바륨 페라이트(barium ferrite)와 같은 비정질 희토류 금속들 중의 하나 또는 그 이상이 기준층(132 및/또는 136)에 사용될 수 있다. 나아가, 다른 구조들도 가능하다.
자유층(134)은 데이터를 자기적으로 저장한다. 다르게 말하면, 자유층(134)은 둘 또는 그 이상의 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치 될 수 있다. 예를 들어, 하나의 안정한 상태는 기준층(132)의 자기 모멘트들과 실질적으로 정렬된 자유층(134)의 자기 모멘트를 가질 수 있다. 또 다른 안정한 상태는 기준층(132)의 자기 모멘트와 역정렬(역평행하도록)된 자유층(134)의 자기 모멘트를 발생시킬 수 있다. 하지만, 다른 구성들도 가능할 수 있다. 저장된 데이터는 자유층(134)의 자기 모멘트와 기준층(들)(132 및 136)의 자기 모멘트 사이의 정렬 각도에 의존하는 자기 접합(130)의 자기저항에 기반하여 읽혀질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 자유층(134)은 스핀 전달 토크(STT) 및/또는 유사한 현상을 이용하여 기록될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, STT 하나 만이 자기 접합(130)의 기록에 사용된다. 다른 실시예들에서, 다른 방법들이 STT에 추가하여 또는 대신하여 사용될 수 있다. 나아가, 자기 접합(130)은 자유층(134)이 열적 변동의 부존재 하에서 0이 아닌 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성된다. 위에서 설명한 것처럼, 열적 변동의 부존재는 저온 환경(102)의 온도에서 자유층(134)의 자기 모멘트의 예상되는 열적 변동에 해당된다. 따라서, 초기 기록 스핀 전달 토크는 자유층(134)이 안정한 상태들 중의 하나에 있을 때, 자기 접합(130)이 기록되도록 선택될 때, 기록이 시작될 때 또는 시작된 직후, 및 상기 자유층(134)이 저온 환경(102)에 있을 때, 자유층(134)에서 0이 아니다.
자기 접합(130)은 자유층(134)에서 이동 자계(shift magnetic field)가 실질적으로 상쇄(balance)되도록 구성된다. 상기 이동 자계는 자기 접합(130)의 일 부분들로 인한 내부 자기장을 포함하는 자유층(134) 내부의 알짜 자기장이다. 예를 들어, 자유층(134)의 내부 자기장은 기준층(132)의 자기 모멘트(들) 및 선택적 추가적 기준층(136)의 자기 모멘트(들)에 의한 자기장에 해당한다. 이동 자계가 자유층에서 실질적으로 상쇄되기 때문에, 이동 자계는 자유층(134) 일부 또는 전부에서 10 Oe 보다 작다. 몇몇 실시예들에서, 상기 이동 자계는 이동 자계가 자유층(134)에서 상쇄될 때, 자유층 일부 또는 전부에서 2 Oe 보다 작다. 이동 자계의 상쇄는 자유층(134)의 자기 이방성이 충분히 작아지도록 한다. 따라서, 더 적은 기록 전류가 사용된다.
또한, 자기접합(130)은 자기 접합(130)의 읽기를 위해 충분히 큰 거대 자기저항을 가지도록 요구되고, 그리고 따라서 상기 메모리(120)가 얻어진다. 그러한 자기저항을 제공하기 위해, 호이슬러(Heusler) 합금들 및/또는 반-금속들(half-metals)과 같은 물질들이 자유층(134)에 사용될 수 있다. 나아가, 반-금속성(half-metallic) 층(들)이 비자성 스페이서 층(들)(133 및 135)에 인접하여 제공되어, 층들(132, 134 및/또는 136)의 계면에서 자기 접합(130)의 자기저항을 높일 수 있다. 따라서, 자기 접합의 자기저항비(DR/R)는 적어도 10 %일 수 있다.
상기 특징들을 달성하기 위하여 자기 접합(130)은 여러 방법들로 구성될 수 있다. 예를 들어, 자기 접합(130)은 자유층(134)이 안정한 상태일 때, 자유층(134)이 정체점에 있지 않도록 제작될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이것은 자유층의 자화 용이축을 따라 자유층의 정체점으로부터 비스듬히 놓인 자유층(134)의 자기 모멘트의 안정한 상태에 해당한다. 몇몇 실시예들에서, 자기 접합(130)은 확장된 직교 스핀 전달 접합이다. 이러한 실시예에서, 기준층(132)은 기준층(136) 및 자유층(134)의 자기 모멘트(들)에 직교하는 자기 모멘트(들)을 가진다. 이러한 실시예들에서, 기준층(132)의 자기 모멘트(들)의 직교 방향성으로 인해 초기 STT 토크는 0이 아니다. 또한, 기준층(132 및/또는 136)은 자유층(134)의 측벽보다 더 확장하는 측벽들을 가진다. 만약 존재한다면, 다른 기준층은 SAF일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 자기 접합(130)은 공간적으로 변화하는 자화 기준층의 이중 자기 접합이다. 그러한 실시예들에서, 기준층(132 및/또는 136)의 자기 모멘트의 국부적(local) 방향은 중심에서 기준층(132 및/또는 136)의 가장자리로 각각 변화한다. 또한 그러한 실시예에서 기준층(132 및/또는 136)의 자기 모멘트 방향(들)로 인해 초기 스핀 전달 토크는 0이 아니다. 몇몇 실시예들에서, 자유층(134)은 혼합(hybrid) 자유층이다. 그러한 실시예들에서, 자유층(134)은 자유층(134) 자체로 인해 자화 용이축으로부터 비스듬하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 자유층(134)은 자유층의 자화 용이축에서 0이 아닌 각도로 가해진 자기장을 이용하여 스위치될 수 있다. 그러한 실시예들에서, 비트 라인들(122)은 아래에서 설명될 스핀-궤도 결합(SO) 라인들일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 자유층(134)은 자유층(134)을 안정한 자기 상태로부터 불안정화하는 전압 제어 이방성을 가질 수 있다. 그러한 실시예들에서, 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)은 교차점 구조로 구성될 수 있다. 교차점 구조를 이용하는 다른 실시예들들에서, 자유층(134)은 이하 설명하는 바와 같이, STT에 추가하여 또는 대신하여 SO 현상을 이용하여 스위치될 수 있다. 그러한 몇몇 실시예들에서, 자기 분극자들(polarizers) 및/또는 SO 능동층이 사용되어, 스핀 분극 전류를 제공할 수 있다. 몇몇 그러한 실시예들에서, 스핀 분극 전류는 자기 접합(130)을 통하여 흐른다. 다른 실시예들에서, 스핀 분극 전류는 이하 설명하는 바와 같이, 자기 접합(130) 전체에 가깝지만 통과하지 않도록 흐른다. 위에서 설명된 실시예들의 둘 또는 그 이상의 특징들은 결합될 수 있다. 다른 실시예들에서, 다른 구성(들)이 가능할 수 있다.
양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)에서의 자기 접합(130)의 사용은 저온 환경에서 데이터 저장을 자기적으로 할 수 있도록 하고, 양자 컴퓨팅 장치(100)의 장점들을 얻을 수 있도록 한다. 예를 들어, 자기 접합(130)의 더 큰 거대 자기저항은, 특히 저온 환경(102)에서, 자기 메모리(120)의 읽기를 용이하게할 수 있다. 저온 환경(102)에서의 더 작은 저항은, 예를 들어 금속성 비자성 스페이서층(들)(133 및 135)로 인하여, 자기 접합(130)의 읽기 및 기록을 용이하게 한다. 자기 접합(130)의 더 상쇄된 이동 자계 및 더 작은 자기 이방성은 적은 기록 전류가 자기 메모리(120)의 프로그래밍에 사용될 수 있도록 한다. 나아가, 열적 변동의 부존재(다르게 말하면, 작동 중 저온 환경(102)의 온도(들)에 노출되는 동안)하에서 자유층(134)의 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크는 자기 접합(130)이 자기 메모리(120)의 작동 온도에서 프로그램되도록 한다. 따라서, 자기 메모리(120)는 양자 컴퓨팅 장치(100)에서 사용되기에 적합하다.
도 3은 저온에서 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합(200)을 포함하는 자기 메모리의 한 부분의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 도 3은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 접합(200)은 도 2에 도시된 자기 접합(130)에 사용될 수 있다. 따라서, 자기 접합(200)은 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)의 저장 셀(124/124)에서 사용하기 위한 것이다. 자기 접합(200)은 양자 처리장치(110)와 관련되어 사용될 수 있고 저온 환경(102)에서의 낮은 온도(들)에서 존재하고 작동할 수 있다. 나아가, 자기 접합(200)은 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치 될 수 있다. 자기 접합(200)은 또한 자유층이 열적 변동의 부존재 내에서 0이 아닌 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성될 수 있다. 다르게 말하면, 자기 접합(200)은 저온 환경(102)의 작동 온도들에서 기록 동작들을 위한 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가진다. 몇몇 실시예들에서, 자기 접합은 또한 자유층에서 이동 자계가 실질적으로 상쇄되도록 구성된다.
자기 접합(200)은 확장된 직교 스핀 전달 접합이다. 자기 접합(200)은 기준층(132), 비자성 스페이서 층(133), 자유층(134), 추가적 비자성 스페이서층(135), 추가적 기준층(136) 및 선택적 고정층(137)과 각각 유사한 기준층(210), 비자성 금속 스페이서층(212), 자유층(214), 추가적 비자성 금속성 스페이서(216), 추가적 기준층(218) 및 선택적 고정층(226)을 포함한다. 예를 들어, 비자성 금속 스페이서 층들(212 및 216)은 Ag, AgSn, Cu, Cr 및 Ge 중의 하나 또는 그 이상과 같은 금속들을 포함할 수 있다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 기준층(210)은 확장된 기준층이다. 따라서, 확장된 기준층(210)의 측벽들은 적어도 자유층(214)의 측벽들 및, 상기 도시된 실시예에서는, 자기 접합(200)의 나머지 부분의 측벽들보다 x축 방향(층들의 면 상에서)으로 더 멀리 확장된다. 몇몇 실시예들에서, 확장된 기준층(210)의 측벽들은 또한 적어도 자유층(214)의 측벽들보다 y축 방향으로 더 확장된다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 층들(212, 214, 216, 218 및 226)은 x-y 평면에서 타원형의 횡단면을 가진다. 확장된 기준층(210)은 또한 타원형의 횡단면을 가질 수 있다. 확장된 기준층(210)의 횡단면은 적어도 x축 방향으로 더 긴 축을 가진다. 다른 실시예들에서, 확장된 기준층(210)은 비트라인(124)와 같은 라인일 수 있다. 따라서, 확장된 기준층(210)은 비트라인(124)의 전부 또는 부분으로써의 기능을 겸할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 확장된 기준층(210)은 x 방향으로 연장(run in the x-direction)할 수 있다.
도 3에서 볼 수 있듯이, 자유층(214)의 자기 모멘트(215) 및 기준층(218)의 자기 모멘트(221 및 225)는 면 내(in-plane)에 있는 반면 확장된 기준층(210)의 자기 모멘트(211)는 직교(실질적으로 면에 수직한)한다. 따라서, 확장된 기준층(210)은 자유층(214)보다 확장될 뿐 아니라, 확장된 기준층(210)의 모멘트(211)도 실질적으로 모멘트들(215, 221 및 225)에 직교한다. 이러한 이유로, 자기 접합(200)이 확장된 직교 기준층의 자기 접합이라고 불린다. 도시된 확장된 기준층(210)은 면 외 방향(out-of-plane)의 자기 소거 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성을 가진다. 따라서, 확장된 기준층(210)에 사용될 수 있는 물질들은 Co/Fe-Pt/Pd 다중층 및 합금 혼합물들, Fe/W 다중층들, FeTb, CoFeTb, GdFe, GdFeTb, 및 바륨 페라이트(barium ferrite)와 같은 비정질 희토류 금속들을 포함하지만, 한정되진 않는다. 높은 수직 이방성을 가지는 다른 물질들도 사용될 수 있다.
기준층(218)은 비자성층(222)이 샌드위치된 강자성층들(220 및 224)을 포함하는 SAF이다. 강자성층들(220 및 224)의 자기 모멘트들(221 및 225)은 각각 반강자성적으로 결합한다. 이 결합 때문에 기준층(218)에 의한 이동 자계는 실질적으로 자유층(214)에서 상쇄된다. 유사하게, 기준층(210)이 자기 접합(200)의 나머지를 넘어 x축 방향으로 확장되기 때문에, 기준층(210)의 나머지 부분으로 인한 이동 자계는 실질적으로 자유층(214)에서 상쇄된다. 몇몇 실시예들에서, 확장된 기준층은 적어도 자유층(214)보다 x축 방향으로 두배의 길이를 가진다. 기준층(210)은 또한 자유층(214)보다 다른 방향(들)로 더 확장될 수 있다. 그러한 실시예에서, 확장된 기준층(210)의 길이는 자유층보다 옆(x-y 면) 방향들로 적어도 두배일 수 있다. 자유층(214)의 자기 접합(215)은 또한 면 내(in-plane)이다. 따라서 자유층(214)의 자기 이방성은 상대적으로 작을 수 있다. 결과적으로, 기록 전류는 줄어들 수 있다. 하지만, 자기 접합은 여전히 자유층(214)의 안정한 상태들을 만드는 형상 이방성 및/또는 충분한 다른 자기 이방성을 가질 수 있다는 것을 유의한다. 예를 들어, x-y 평면에 대한 횡단면 은 x축에 평행한 장축을 가지는 타원형일 수 있다.
자유층(214)의 자기 모멘트(215)는 스핀 전달을 이용하여 스위치될 수 있다. 따라서 자기 모멘트(215)는 양방향 화살표로 도시되었다. 자유층(214)의 안정한 상태들에서, 자기 모멘트(215)는 자유층의 자화 용이축을 따라 놓인다. 예를 들어, 하나의 안정한 상태에서 자기 모멘트(215)는 자기 모멘트(221)에 평행한 반면 또다른 안정한 상태의 자기 모멘트(215)는 자기 모멘트(221)에 역평행하다. 자유층(214)의 자화 용이축은 도시된 자기 모멘트(215)와 같다고 여겨질 수 있다. 큰 자기저항을 가질 것이 요구되기 때문에, 자유층(214)은 호이슬러(Heusler) 합금(들) 및/또는 반 금속들(half metals)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 자유층은 L21구조를 가지는 호이슬러 합금(들)을 포함할 수 있다. 상기 합금들은 X2YZ를 포함할 수 있으며, X는 Cr, Mn, Fe, Co, Ru 및 Rh에서 선택되고, Y는 Ti, V, Cr, Mn, 및 Fe에서 선택되며, 그리고 Z는 Al, Si, P, Ga, Ge, As, In, Sn 및 Sb에서 선택된다.
자기 접합(200)은 또한 열적 변동의 부존재 내(예를 들어, 저온 환경(102)의 온도에서)에서도 자유층(214)이 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가지도록 구성된다. 자기 접합(200)을 프로그램하기 위해, 기록 전류는 면수직 전류(CPP) 방향으로 자기 접합(200)을 통해 흐를 수 있다. 그러한 기록 전류는 자기 접합(200)에 대해 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가질 수 있다. 이 기록 전류는 기준층들(210 및 218)의 자기 모멘트들(211 및 221)에 의해 스핀 분극된다. 자기 모멘트(211)는 자유층의 자화 용이축/안정한 상태의 자기 모멘트(215)에 직교한다. 따라서, 적어도 초기 스핀 전달 토크의 한 부분은 자기 모멘트(211)에 평행 또는 역평행하도록 분극된 스핀들에 의한 것이다. 이러한 스핀들은 자화 용이축(215)을 따르지 않는 초기 스핀 전달 토크에 해당한다. 자화 용이축(215)에 평행한 방향으로 분극된 스핀들은 0의 초기 전달 스핀 및 자유층 정체점에 해당한다. 역으로, 자화 용이축(215)으로부터 0이 아닌 각도로(예를 들어, +x 방향 또는 -x 방향이 아닌) 분극된 스핀들은 0이 아닌 초기 전달 토크를 가진다. 결과적으로, 확장된(직교의) 기준층(210)에 의해 분극된 스핀들은, 예를 들어, +z 방향 또는 -z방향으로, 자유층의 자기 모멘트(215)에 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 제공한다.
양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)에서의 자기 접합(200)의 사용은 저온 환경에서 자기적으로 데이터 저장을 할 수 있도록 하고, 양자 컴퓨팅 장치(100)의 장점들을 얻을 수 있도록 한다. 예를 들어, 자유층에 사용된 물질(들)에 부분적으로 기인한 자기 접합(200)의 더 큰 거대 자기저항은, 자기 메모리(120)의 읽기를 용이하게할 수 있다. 저온 환경(102)에서의 더 낮은 저항(예를 들어 금속 비자성 스페이서층들(212 및 222))은 또한 자기 접합(200)의 읽기 및 기록을 용이하게 한다. SAF 기준층(218) 및 확장된 기준층(210) 및 자유층(214)의 면 내 모멘트에 대한 더 낮은 자기 이방성으로 인해, 더 상쇄된 이동 자계(shift field)는 더 적은 기록 전류가 자기 접합(200) 및 메모리(120)의 프로그래밍에 사용되도록 한다. 또한, 열적 변동 부존재 내(작동 중 저온 환경(102)의 온도(들)에 노출되는 동안)에서 자유층(214)에 대해 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크는 자기 접합(200)이 자기 메모리(120)의 작동 온도(들)에서 빠르게 프로그램 되도록 한다. 따라서, 자기 메모리(120)은 자기 접합(200)의 사용을 통해 적어도 부분적으로 양자 컴퓨팅 장치(100)의 사용에 적합할 수 있다.
도 4는 저온에서 0이 아닌 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합(200)의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 도 4는 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 접합(200)은 자기 접합(200)과 유사하다. 따라서, 비슷한 구성 요소들은 상응하는 도면 부호를 갖는다. 자기 접합(200)은 도 2에 도시된 자기 접합(130)에 사용될 수 있다. 따라서, 자기 접합(200)은 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)의 저장 셀(124/124)에서 사용하기 위한 것이다. 자기 접합(200)은 양자 처리장치(110)와 관련되어 사용될 수 있고 저온 환경(102)에서의 낮은 온도(들)에서 존재하고 작동할 수 있다. 나아가, 자기 접합(200)은 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치 될 수 있다. 자기 접합(200)은 또한 자유층이 열적 변동의 부존재 내에서 0이 아닌 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 자기 접합(200)은 또한 자유층에서 이동 자계가 실질적으로 상쇄되도록 구성된다.
자기 접합(200)은 기준층(210), 비자성 금속 스페이서층(212), 자유층(214), 추가적 비자성 금속성스페이서(216), 추가적 기준층(218) 및 선택적 고정층(226)과 각각 유사한 확장된 기준층(210), 비자성 금속 스페이서층(212), 자유층(214), 추가적 비자성 금속성 스페이서(216), 추가적 기준층(218) 및 선택적 고정층(226)을 포함하는 확장된 직교 스핀 전달 접합이다. 기준층(210)이 확장된 기준층이기 때문에, 확장된 기준층(210)의 측벽들은 적어도 자유층(214)의 측벽들보다 적어도 층들의 면에서 한 방향(예를 들어, x축 방향)으로 더 멀리 확장된다. 도시된 실시예에서, 확장된 기준층(210)의 측벽들은 자기 접합(200)의 나머지 부분들의 측벽들보다 더 확장된다. 몇몇 실시예들에서, 확장된 기준층(210)의 측벽들은 또한 y축 방향으로 적어도 자유층(214)의 측벽들보다 더 확장된다. 몇몇 실시예들에서, 확장된 기준층은 타원형과 같이 자기 접합(200)의 나머지 부분(들)의 형상과 유사한 모양을 가진다. 다른 실시예들에서, 확장된 기준층(210)은 비트 라인(124)와 같은 라인의 전부 또는 일부일 수 있다.
자유층(214)은 도 3에 도시된 자유층과 유사하고 면 내의 자기 모멘트(215)를 가진다. 확장된 기준층(210)의 자기 모멘트는 또한 면 내에 있다. 다만, 기준층(218)의 자기 모멘트들은 면에 수직하다. 특히, 강자성층들(220및 224)은 자기 모멘트들(221및 225)을 각각 가진다. 이러한 이유로, 하나의 기준층(210)은 확장되는 반면 다른 기준층(218)이 직교 자기 모멘트들을 가지기 때문에 자기 접합(200)은 여전히 확장된 직교 기준층 자기 접합이라고 불린다.
기준층(218)은 비자성층(222)이 삽입되어 있는 강자성층들(220및 224)을 포함하는 SAF이다. 강자성층들(220및 224)의 자기 모멘트들(221및 225)은 각각 반강자성적으로 결합한다. 이 결합 때문에 기준층(218)으로 인한 이동 자계는 실질적으로 자유층(214)에서 상쇄된다. 유사하게, 기준층(210)이 자기 접합(200)의 나머지를 넘어 x축 방향으로 확장되기 때문에, 기준층(210)의 나머지 부분으로 인한 이동 자계는 실질적으로 자유층(214)에서 상쇄된다. 자유층(214)의 자기 모멘트(215)는 또한 면 내에 있다. 따라서 자유층(214)의 자기 이방성은 상대적으로 작을 수 있다. 결과적으로, 기록 전류는 감소할 수 있다. 하지만, 자기 접합은 여전히 자유층(214)의 안정한 상태들을 만드는 형상 이방성 및/또는 충분한 다른 자기 이방성을 가질 수 있다는 것을 유의한다.
자유층(214)의 자기 모멘트(215)는 스핀 전달을 이용하여 스위치 될 수 있다. 따라서 자기 모멘트(215)는 양방향 화살표로 도시되었다. 자유층(214)의 안정한 상태들에서, 자기 모멘트(215)는 자유층의 자화 용이축(215)을 따라 놓인다. 큰 자기저항을 가질 것이 요구되기 때문에, 자유층(214)은 호이슬러(Heusler) 합금(들) 및/또는 반 금속들(half metals)을 포함할 수 있다.
자기 접합(200)은 또한 열적 변동의 부존재 내(말하자면, 저온 환경(102)의 온도에서)에서도 자유층(214)이 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가지도록 구성된다. 자기 접합(200)을 프로그램하기 위해, 기록 전류는 면수직 전류(CPP) 방향으로 자기 접합(200)을 통해 흐를 수 있다. 그러한 기록 전류는 자기 접합(200)에 대해 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가질 수 있다. 이러한 기록 전류는 기준층들(210및 218)의 자기 모멘트들(211및 221)에 의해 스핀 분극된다. 자기 모멘트(221)는 자유층의 자화 용이축/안정한 상태의 자기 모멘트(215)에 직교한다. 따라서, 적어도 초기 스핀 전달 토크의 한 부분은 자기 모멘트(221)에 평행 또는 역평행하도록 분극된 스핀들에 의한 것이다. 이러한 스핀들은 자화 용이축(215)을 따르지 않는 초기 스핀 전달 토크에 해당한다. 결과적으로, 기준층(218)의 강자성층(220)에 의해 분극된 스핀들은, 예를 들어, +z 방향 또는 -z방향으로, 자유층 자기 모멘트(215)에 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 제공한다.
양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)에서의 자기 접합(200)의 사용은 저온 환경에서 자기적으로 데이터 저장을 할 수 있도록 하고, 양자 컴퓨팅 장치(100)의 장점들을 얻을 수 있도록 한다. 예를 들어, 자유층에 사용된 물질(들)에 부분적으로 기인한 자기 접합(200)의 더 큰 거대 자기저항은, 자기 메모리(120)의 읽기를 용이하게할 수 있다. 저온 환경(102)에서의 더 낮은 저항(예를 들어 금속 비자성 스페이서층들(212 및 222)로 인한)은 또한 자기 접합(200)의 읽기 및 기록을 용이하게 한다. SAF 기준층(218) 및 확장된 기준층(210) 및 자유층(214)의 면 내 모멘트에 대한 더 낮은 자기 이방성으로 인해 더 상쇄된 이동 자계(shift field)는 더 적은 기록 전류가 자기 접합(200) 및 메모리(120)의 프로그래밍에 사용되도록 한다. 또한, 열적 변동 부존재 내(작동 중 저온 환경(102)의 온도(들)에 노출되는 동안)에서 자유층(214)에 대해 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크는 자기 접합(200)이 자기 메모리(120)의 작동 온도(들)에서 빠르게 프로그램 되도록 한다. 따라서, 자기 메모리(120)는 자기 접합(200)의 사용을 통해 적어도 부분적으로 양자 컴퓨팅 장치(100)의 사용에 적합할 수 있다.
도 5는 저온에서 0이 아닌 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합(200)의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 도 5는 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 접합(200)은 자기 접합(200 및/또는 200)과 유사하다. 따라서, 비슷한 구성 요소들은 상응하는 도면 부호들을 갖는다. 자기 접합(200)은 도 2에 도시된 자기 접합(130)에 사용될 수 있다. 따라서, 자기 접합(200)은 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)의 저장 셀(124/124)에서 사용하기 위한 것이다. 자기 접합(200)은 양자 처리장치(110)와 관련되어 사용될 수 있고, 저온 환경(102)에서의 낮은 온도(들)에서 존재하고 작동할 수 있다. 나아가, 자기 접합(200)은 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있다. 자기 접합(200)은 또한 자유층이 열적 변동의 부존재 내에서 0이 아닌 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 자기 접합(200)은 또한 자유층에서 이동 자계가 실질적으로 상쇄되도록 구성된다.
자기 접합(200)은 기준층(210), 비자성 금속 스페이서층(212), 자유층(214), 추가적 비자성 금속성스페이서(216), 추가적 기준층(218) 및 선택적 고정층(226)과 각각 유사한 확장된 기준층(210), 비자성 금속 스페이서층(212), 자유층(214), 추가적 비자성 금속성 스페이서(216), 추가적 기준층(218) 및 선택적 고정층(226)을 포함하는 확장된 직교 스핀 전달 접합이다. 따라서, 층들(210, 212, 214, 216, 218 및 226)은 자기 접합(200)과 유사한 방법으로 구성된다. 다른 실시예들에서, 층들(210, 212, 214, 216, 218 및 226)은 자기 접합(200)과 비슷한 방법으로 구성된다. 달리 말하면, 확장된 기준층(210)은 자화 용이축에 직교하는 자기 모멘트들을 가질 수 있는 반면, 추가적 기준층(218)은 자기 접합(200)의 자화 용이축에 평행한 자기 모멘트(들)을 가질 수 있다.
또한, 자기 접합(200)은 하나 또는 그 이상의 반 금속성 삽입 층들을 포함한다. 도시된 실시예에서, 반-금속성 삽입층(228)은 자기 접합(200)에 포함된다. 선택적 반-금속 삽입층(들)(229, 230, 231)은 자유층(214) 및 금속성 스페이서(216) 사이 및/또는 금속성 스페이서 층(216) 및 강자성층(220) 사이에 포함될 수 있다.
자기 접합(200)은 자기 접합(들)(200 및/또는 200)과 유사한 장점들을 가진다. 또한, 자기 접합(200)은 반-금속성 삽입층(들)(228, 229, 230 및 231) 중의 하나 또는 그 이상의 사용 때문에 증가된 자기 저항을 가질 수 있다. 따라서, 자기 메모리(120)는 자기 접합(200)의 사용을 통해 적어도 부분적으로 양자 컴퓨팅 장치(100)의 사용에 적합할 수 있다.
도 6은 저온에서 0이 아닌 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합(250)을 포함하는 자기 메모리의 한 부분에 대한 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 도 6은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 접합(250)은 도 2에 도시된 자기 접합(130)에 사용될 수 있다. 따라서, 자기 접합(250)은 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)의 저장 셀(124/124)에서 사용하기 위한 것이다. 자기 접합(250)은 양자 처리장치(110)와 관련되어 사용될 수 있고, 저온 환경(102)에서의 낮은 온도(들)에서 존재하고 작동할 수 있다. 나아가, 자기 접합(250)은 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치 될 수 있다. 자기 접합(250)은 또한 자유층이 열적 변동의 부존재 내에서 0이 아닌 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성될 수 있다. 다르게 말하면, 자기 접합(250)은 저온 환경(102)의 작동 온도에서 기록 작동을 위한 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가진다. 몇몇 실시예들에서, 자기 접합(250)은 또한 자유층에서 이동 자계가 실질적으로 상쇄되도록 구성된다.
자기 접합(250)은 공간적으로 변하는 자화 기준층(SVMRL)의 이중 자기 접합이다. 자기 접합(250)은 기준층(132), 비자성 금속 스페이서층(133), 자유층(134), 추가적 비자성 금속성스페이서(135) 및 추가적 기준층(136)과 각각 유사한 기준층(251), 비자성 금속 스페이서층(252), 자유층(253), 추가적 비자성 금속성 스페이서(254) 및 추가적 기준층(255)을 포함한다. 예를 들어, 비자성 금속 스페이서 층들(252 및 254)은 Ag, AgSn, Cu, Cr 및 Ge 중의 하나 또는 그 이상과 같은 금속들을 포함할 수 있다. 자기 접합(250)은 또한 기준층들(251 또는 255)을 위한 선택적 고정층들(미도시)을 포함할 수 있다.
도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 자유층(253)의 자기 모멘트(262)는 면 내에 있고, 스핀 전달을 이용하여 스위치될 수 있다. 따라서 자기 모멘트(262)는 양방향 화살표로 도시되었다. 자유층(253)의 안정한 상태들에서, 자기 모멘트(262)는 자유층의 자화 용이축을 따라 놓인다. 예를 들어, 하나의 안정한 상태에서 자기 모멘트(262)는 실질적으로 +x 방향이지만, 다른 안정한 상태는 -x 방향이다. 자유층(253)의 자화 용이축은 도시된 자기 모멘트(262)와 같다고 여겨질 수 있다. 큰 자기저항을 가질 것이 요구되기 때문에, 자유층(253)은 호이슬러(Heusler) 합금(들) 및/또는 반 금속들(half metals)을 포함할 수 있다.
기준층들(251 및 255)은 공간적으로 변화하는 자기 모멘트들(260 및 264)을 각각 가진다. 또한, 도시된 실시예에서, 기준층들(251 및 255)은 스스로 고정된다. 다른 실시예들에서, 고정은 또 다른 방법으로 이루어질 수 있다. 도 6에서 볼 수 있는 것처럼, 자기 모멘트(260)는 기준층(251)을 가로질러 변한다. 예를 들어, 가장자리들에 더 가까운, 국부(local) 자기 모멘트들(260B 및 260C)은 실질적으로 면에 수직하다. 기준층(251)의 중간에 더 가까운, 국부 자기 모멘트(260A)는 면 내일 수 있다. 유사하게, 자기 모멘트(264)는 기준층(255)을 가로질러 변한다. 예를 들어, 가장자리에 더 가까운, 국부 자기 모멘트들(264B 및 264C)은 실질적으로 면에 수직하다. 기준층(255)의 중간에 더 가까운, 국부 자기 모멘트(264A)는 면 내일 수 있다. 또한, 기준층들(251 및 255)의 국부 자기 모멘트들(260B, 260C, 264B 및 264C)의 방향들은 자기 접합(250)에서 플럭스 닫힘(flux closure)이 달성되도록 한다. 자기 모멘트들(260 및 264)의 공간적 변화는 층들(251 및 255)의 수직 자기 이방성을 제어함으로써 이루어질 수 있다. 특히, 층(251 및/또는 255)의 수직 자기 이방성은 각각 기준층(251 및/도는 255)의 면 외 방향의 자기소거 에너지의 60 % 내지 100 % 이다. 몇몇 실시예에서, 층(251 및/도는 255)의 수직 자기 이방성은 각각 기준층(251 및/도는 255)의 면 외 방향의 자기소거 에너지의 85 % 보다 크다. 따라서, 확장된 기준층(251 및/도는 255)에 사용될 수 있는 물질들은 Fe/W 다중층들 및 다른 물질들과 결합되어 사용될 수 있는 높은 자기 이방성(면 외 방향의 자기 소거 에너지보다 큰 수직 이방성)을 가지는 다른 물질들을 포함할 수 있지만 한정되진 않는다. 또한, 단일 층들로 도시되어 있지만, 기준층들(251 및 255) 중의 하나 또는 둘 모두는 SAF를 포함하지만 한정되지는 않는 다중층일 수 있다.
기준층(251 및 255)의 구성 때문에, 기준층들(251 및 255)로 인한 이동 자계는 실질적으로 자유층(253)에서 상쇄된다. 도 6에서 볼 수 있는 것처럼, 자기 모멘트들(260 및 264)은 플럭스 닫힘을 허용할 뿐 아니라, 실질적으로 상쇄된다. 달리 말하면, 자기 모멘트(260)에 의한 자유층(253)의 자기장은 자기 모멘트(264)에 의한 자유층(253)의 자기장에 의해 실질적으로 상쇄된다. 자유층(253)의 자기 모멘트(262)는 또한 면 내에 있다. 따라서 자유층(253)의 자기 이방성은 상대적으로 작을 수 있다. 결과적으로, 기록 전류는 감소할 수 있다. 하지만, 자기 접합은 여전히 자유층(253)의 안정한 상태들을 만드는 형상 이방성 및/또는 충분한 다른 자기 이방성을 가질 수 있다는 것을 유의한다. 예를 들어, 도 6에 도시된 것처럼, 자기 접합(250)은 x축에 평행 및 자화 용이축(262)에 평행한 장축을 가지는 타원형일 수 있다.
자기 접합(250)은 또한 열적 변동의 부존재 내(말하자면, 저온 환경(102)의 온도에서)에서도 자유층(253)이 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가지도록 구성된다. 자기 접합(250)을 프로그램하기 위해, 기록 전류는 면수직 전류(CPP) 방향으로 자기 접합(250)을 통해 흐를 수 있다. 그러한 기록 전류는 자기 접합(250)에 대해 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가진다. 상기 기록 전류는 기준층들(251 및 255)의 자기 모멘트들(260 및 264)에 의해 분극된 스핀이다. 자기 모멘트들(260 및 264)은 공간적으로 변하기 때문에, 전류의 분극 또한 공간적으로 변한다. (260B, 260C, 264B 및 264C)와 같은 모멘트들(260 및 264)의 부분들은 자화 용이축(262)으로부터 비스듬하다. 결과적으로, 상기 국부 자기 모멘트들(260B, 260C, 264B 및 264C)은 스핀들이 자기 모멘트들(260B, 260C, 264B 및 264C)에 평행 또는 역평행하도록 접합(250)의 가장자리에 가까운 전류를 분극시킨다. 상기 영역들을 지나는 스핀 전류는 자화 용이축(262)으로부터 0이 아닌 각을 가지도록 분극된다. 초기 스핀 전달 토크에 해당하는 상기 스핀들은 0이 아니다. 접합(250)의 중심 근처의 국부 자기 모멘트(260A 및 264A)에 의한 스핀 분극 전류는 자유층(253)의 STT 스위칭을 완료할 수 있다. 따라서, 자유층 자기 모멘트(262)는 STT를 이용하여 스위치 될 뿐만 아니라 저온 환경/열적 변동의 부존재 내에서도 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가질 수 있다.
양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)에서의 자기 접합(250)의 사용은 저온 환경에서 자기적으로 데이터 저장을 할 수 있도록 하고, 양자 컴퓨팅 장치(100)의 장점들을 얻을 수 있도록 한다. 예를 들어, 자유층에 사용된 물질(들)에 부분적으로 기인한 자기 접합(250)의 더 큰 거대 자기저항은, 자기 메모리(120)의 읽기를 용이하게할 수 있다. 저온 환경(102)에서의 더 낮은 저항(예를 들어 금속 비자성 스페이서층들(252 및 254)로 인한)은 또한 자기 접합(250)의 읽기 및 기록을 용이하게 한다. 기준층들(251 및 255)의 자기 모멘트들(260 및 264) 각각의 구성 및 자유층(253)의 면 내 모멘트에 대한 더 낮은 자기 이방성으로 인한 더 상쇄된 이동 자계(shift field)는 더 적은 기록 전류가 자기 접합(250) 및 메모리(120)의 프로그래밍에 사용되도록 한다. 또한, 열적 변동 부존재 내(작동 중 저온 환경(102)의 온도(들)에 노출되는 동안)에서 자유층(253)에 대해 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크는 자기 접합(250)이 자기 메모리(120)의 작동 온도(들)에서 빠르게 프로그램 되도록 한다. 따라서, 자기 메모리(120)는 자기 접합(250)의 사용을 통해 적어도 부분적으로 양자 컴퓨팅 장치(100)의 사용에 적합할 수 있다.
도 7은 저온에서 0이 아닌 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합(250)에 대한 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 도 7은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 접합(250)은 자기 접합(250)과 유사하다. 따라서, 비슷한 구성 요소들은 상응하는 도면 부호들을 갖는다. 자기 접합(250)은 도 2 에 도시된 자기 접합(130)에 사용될 수 있다. 따라서, 자기 접합(250)은 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)의 저장 셀(124/124)에서 사용하기 위한 것이다. 자기 접합(250)은 양자 처리장치(110)와 관련되어 사용될 수 있고, 저온 환경(102)에서의 낮은 온도(들)에서 존재하고 작동할 수 있다. 나아가, 자기 접합(250)은 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있다. 자기 접합(250)은 또한 자유층이 열적 변동의 부존재 내에서 0이 아닌 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 자기 접합(250)은 또한 자유층에서 이동 자계가 실질적으로 상쇄되도록 구성된다.
자기 접합(250)은 도 6에 도시된 기준층(251), 비자성 금속 스페이서층(252), 자유층(253), 추가적 비자성 금속성 스페이서(254) 및 추가적 기준층(255)에 각각 유사한 기준층(251), 비자성 금속 스페이서층(252), 자유층(253), 추가적 비자성 금속성 스페이서(254) 및 추가적 기준층(255)을 포함하는 SVMRL 자기 접합이다. 따라서, 층들(251, 252, 253, 254 및 255)은 자기 접합(250)과 유사한 방법으로 구성된다. 예를 들어, 기준층들(251 및 255)은 공간적으로 변하는 자화들을 가진다.
또한, 자기 접합(250)은 하나 또는 그 이상의 반 금속성 삽입 층들을 포함한다. 도시된 실시예에서, 선택적 반-금속성 삽입층(256, 257, 258 및 259)은 자성층들과 인접한 비자성 스페이서층들(252 및 254) 사이에 있는 자기 접합(250)을 포함된다.
자기 접합(250)은 자기 접합(250)과 유사한 장점들을 가진다. 또한, 자기 접합(250)은 반-금속성 삽입층(들)(256, 257, 258 및 259) 중의 하나 또는 그 이상의 사용 때문에 증가된 자기 저항을 가질 수 있다. 따라서, 자기 메모리(120)는 자기 접합(250)의 사용을 통해 적어도 부분적으로 양자 컴퓨팅 장치(100)의 사용에 적합할 수 있다.
도 8은 저온에서 0이 아닌 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합(265)을 포함하는 자기 메모리의 한 부분에 대한 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 도 8은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 접합(265)은 도 2에 도시된 자기 접합(130)에 사용될 수 있다. 따라서, 자기 접합(265)은 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)의 저장 셀(124/124)에서 사용하기 위한 것이다. 자기 접합(265)은 양자 처리장치(110)와 관련되어 사용될 수 있고, 저온 환경(102)에서의 낮은 온도(들)에서 존재하고 작동할 수 있다. 나아가, 자기 접합(265)은 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치 될 수 있다. 자기 접합(265)은 또한 자유층이 열적 변동의 부존재 내에서 0이 아닌 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성될 수 있다. 다르게 말하면, 자기 접합(265)은 저온 환경(102)의 작동 온도에서 기록 작동을 위한 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가진다. 몇몇 실시예들에서, 자기 접합(265)은 또한 자유층에서 이동 자계가 실질적으로 상쇄되도록 구성된다.
자기 접합(265)은 혼합(hybrid) 자유층 자기 접합이다. 자기 접합(265)는 기준층(132), 비자성 스페이서층(133) 및 자유층(134)과 각각 유사한 기준층(266), 선택적 반-금속성 삽입층(267), 비자성 금속 스페이서층(268) 및 자유층(269)을 포함한다. 다른 실시예들에서, 추가적 스페이서층(135) 및 추가적 기준층(136)과 각각 유사한 추가적 비자성 스페이서층 및 추가적 기준층(미도시)이 포함될 수 있다. 예를 들어, 비자성 금속 스페이서 층(268)은 Ag, AgSn, Cu, Cr 및 Ge 중의 하나 또는 그 이상과 같은 금속들을 포함할 수 있다. 자기 접합(265)은 또한 기준층(266)을 위한 선택적 고정층들을 포함할 수 있다. 비록 도시되지 않았지만, 선택적 반-금속성 금속층이 자유층(269)와 비자성 금속성 스페이서층(268) 사이에 제공될 수 있다.
기준층(266)은 확장된 기준층들(210 및/또는 210)과 유사한 확장된 기준층이다. 확장된 기준층(266)의 측벽들은 적어도 자유층(269)의 측벽들 및, 도시된 실시예에서, 자기 접합(265)의 나머지 부분들의 측벽들보다 적어도 x축 방향(층들의 면 내에서)으로 더 멀리 확장된다. 몇몇 실시예들에서, 확장된 기준층(266)의 상기 측벽들은 또한 y축 방향으로 적어도 자유층(269)의 측벽들보다 더 확장된다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 층들(268 및 269)은 x-y 평면에서 타원형의 횡단면을 가진다. 확장된 기준층(266) 또한 타원형의 횡단면을 가진다. 확장된 기준층(266)의 횡단면은 적어도 x-축 방향으로 더 긴 축을 가진다. 다른 실시예에서, 확장된 기준층(266)은 비트 라인(124)과 같은 라인일 수 있다. 따라서, 확장된 기준층(266)은 비트라인(124)의 전부 또는 부분으로써의 기능을 겸할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 확장된 기준층(266)은 x축 방향으로 작동할 수 있다.
도 8에서 볼 수 있는 것과 같이, 확장된 기준층(266)의 자기 모멘트(275)는 실질적으로 면에 수직하다. 확장된 기준층(266)은 면 외 방향의 자기 소거 에너지를 초과하는 수직 자기 이방성을 가진다. 따라서, 확장된 기준층(266)에 사용될 수 있는 물질들은 Co/Fe-Pt/Pd 다중층 및 합금 혼합물들, Fe/W 다중층들, FeTb, CoFeTb, GdFe, GdFeTb, 및 바륨 페라이트(barium ferrite)와 같은 비정질 희토류 금속들을 포함하지만, 한정되진 않는다. 높은 수직 이방성을 가지는 다른 물질들도 사용될 수 있다.
기준층(266)의 구성 때문에, 기준층(266)으로 인한 이동 자계는 실질적으로 자유층(269)에서 상쇄된다. 위에서 설명한 것과 같이, 기준층(266)과 같은 확장된 기준층은 자유층(269)에 알짜 자기장을 만들지 않거나, 거의 만들지 않는다. 결과적으로, 자유층(269)의 자기 이방성은 작아질 수 있고 기록전류는 작아질 수 있다.
자유층(269)은 그것의 모멘트가 면 내(in plane)인 것 및 면에 수직한 것의 혼합으로 여겨질 수 있기 때문에 혼합 자유층이다. 따라서 자유층(269)의 자기 모멘트(276)는 확장된 기준층(266)의 자기 모멘트(275)에 평행한 수직 방향(277)에서 비스듬하다. 몇몇 실시예에서, 상기 방향(275)은 또한 자화 용이축 방향이다. 혼합 자유층(269)은 여러 방법들에 의해 이루어질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 자유층(269)은 교환 결합된 강자성 하부층들을 포함할 수 있다. 몇몇 하부층들은 면 내의 자기 모멘트를 가질 수 있는 반면, 다른 하부층들은 면에 수직한 모멘트를 가진다. 자유층(269)의 알짜 모멘트는 면의 수직에서 비스듬하고 또한 면 내(in-plane)가 아니다. 다른 실시예들에서, 자유층(269)은 자화 용이 원뿔 이방성(easy cone anisotropy)을 가지도록 구성되는 층일 수 있다. 자화 용이 원뿔 이방성은 특히 자유층의 안정한 자기 상태(들)이 대칭축을 둘러싼 각을 이루는 이방성이다. 이 가능성은 도 8의 축(277)을 둘러싼 점선에 의해 도시되어 있다. 몇몇 실시예들에서, 그러한 이방성은 단축의 조합 및 쌍축 이방성들일 수 있다. 예를 들어, 자유층(269)의 자기 이방성 에너지는 다음과 같이 특정 방향(277)으로부터의 각도 함수로 주어질 수 있다.
E(q) = Kunisin2(q) + Kbisin2(2q) (q 는 방향(277)로부터의 각도)
Kunisin2(q) 항은 (단축 항) 단축(uniaxial) 자기 이방성에 해당한다. Kbisin2(2q) 항은 (쌍축(biaxial) 항) 쌍축 이방성에 해당한다. 만약 쌍축항이 0이면, 자유층(269)은 단축 이방성을 가질 것이다. 단축 이방성은 축(277)을 따라 최소 에너지를 가진다. 이 방향들은 기준층(275)의 자화(미도시)와 평행 및 역평행하고, 스핀 전달 토크 및 장(field) 토크에 대한 정체점들(stagnation points)에 해당한다. 스핀 전달 토크 정체점에서, 스핀 분극 전류는 초기에 자유층(269)의 자화에 토크를 가하지 않거나 거의 가하지 않는다.
단축항이 0인 경우, 상기 예의 자유층(269)의 이방성 에너지는 쌍축항일 것이다. 자유층(269)은 쌍축 이방성만을 가질 것이다. 결과적으로, 최소 에너지(자유층(269)의 안정한 상태들)는 단축 자화 용이축 따르는 방향 및 수직한 방향(q = 0, p/2, 및 p) 모두 일 것이다. 이 방향들은 기준층(266)의 자화(미도시)에 평행, 수직, 및 역평행하다.
단축 이방성에 추가하여 몇몇 쌍축 이방성이 있다면, 단축 에너지 곡선은 쌍축 항(Kbisin2(2q))에 의해 교란이 일어난다. 자기 이방성 에너지에서 쌍축 항의 크기로 인해, 단축 에너지 곡선은 더 교란된다. 더 큰 쌍축 항의 삽입 때문에, 에너지 곡선는 대칭축(277) 및 면 내 방향 사이의 각에서 최소값을 가진다. 에너지 곡선은 대칭축(각도는 0이다.) 둘레로 대칭적이다. 자유층(269)의 자기 이방성은 원뿔 이방성으로 지칭될 수 있고, 단축 이방성 및 쌍축 이방성의 조합이다. 자유층(269)의 초기 상태들의 더 큰 확대는 자유층(269)의 자화가 대칭축(277)으로부터 작은 각을 이루거나, 비스듬할 가능성이 조금 더 많다는 것을 의미할 수 있다. 다르게 말하면, 자유층(269)의 자화는 축(277)으로부터 0외의 각을 이룰 수 있는 가능성이 조금 더 많다. 따라서, 자유층(269)의 자화(276)의 안정한 상태들은 스핀 전달 토크의 정체점들로부터 떨어져 있을 가능성이 조금 더 많다. 다르게 말하면, 자유층(269)은 열적 변동들의 부존재(예를 들면, 저온 환경(102)의 온도들에서) 내에서도 0이 아닌 스핀 전달 토크를 가질 수 있다. 따라서, 자유층의 자기 모멘트(276)는 STT를 이용하여 스위치될 뿐 아니라 저온 환경/열적 변동들의 부존재 내에서 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가질 수 있다.
자유층(269)은 혼합(hybrid) 자유층이기 때문에, 자유층(269)은 열적 변동들의 부존재(예를 들면, 저온 환경(102)의 작동 온도들에서) 내에서도 0이 아닌 스핀 전달 토크를 가질 수 있다. 자유층의 자기 모멘트(276)는 적어도 하부층들의 몇몇 부분에서 실질적으로 면 내(in-plane)인 자기 모멘트들을 가지는 다중층일 수 있다. 그러한 자기 모멘트들은 확장된 기준층(266)의 자기 모멘트(275)에 의해 분극 스핀된 전류에 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 발생한다. 자유층(269)은 또한 자화 용이 원뿔 이방성(예를 들어 단일층을 위한)을 가질 수 있다. 그러한 실시예들에서, 자유층(269)의 자기 모멘트(276)는 방향(277)으로부터의 각으로 일정하다. 결과적으로, 자기 모멘트(275)에 의해 분극된 스핀 운반자들(carriers)은 자기 모멘트(276)에 정렬되지 않는다. 또 다시, 스핀 분극 전류는 자유층(269)에 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가한다. 결과적으로, 자유층(269)의 STT 스위칭이 저온 환경(102)에서 더 쉽게 달성될 수 있다.
양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)에서의 자기 접합(265)의 사용은 저온 환경에서 자기적으로 데이터 저장을 할 수 있도록 하고, 양자 컴퓨팅 장치(100)의 장점들을 얻을 수 있도록 한다. 저온 환경(102)에서의 더 낮은 저항(예를 들면 금속성 비자성 스페이서층(268)에 의한)은 또한 자기 접합(265)의 읽기 및 기록을 용이하게 한다. 기준층(266)이 확장된 기준층이기 때문에 이동 자계의 더 많은 상쇄가 이루어질 수 있다. 이는 적은 기록 전류가 자기 접합(265) 및 메모리(120)의 프로그래밍에 사용되도록할 수 있다. 또한, 열적 변동들의 부존재 내(작동 중 저온 환경(102)의 온도(들)에 노출되는 동안)에서 자유층(269)에 대해 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크는 자기 접합(265)가 자기 메모리(120)의 작동 온도(들)에서 빠르게 프로그램되도록 한다. 따라서, 자기 메모리(120)는 자기 접합(265)의 사용을 통해 적어도 부분적으로 양자 컴퓨팅 장치(100)의 사용에 적합할 수 있다.
도 9는 저온에서 0이 아닌 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합(265)에 대한 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 도 9는 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 접합(265)은 자기 접합(265)과 유사하다. 따라서, 비슷한 구성 요소들은 상응하는 도면 부호들을 갖는다. 자기 접합(265)은 도 2에 도시된 자기 접합(130)에 사용될 수 있다. 따라서, 자기 접합(265)은 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)의 저장 셀(124/124)에서 사용하기 위한 것이다. 자기 접합(265)은 양자 처리장치(110)와 관련되어 사용될 수 있고, 저온 환경(102)에서의 낮은 온도(들)에서 존재하고 작동할 수 있다. 나아가, 자기 접합(265)은 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있다. 자기 접합(265)은 또한 자유층이 열적 변동의 부존재 내에서 0이 아닌 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 자기 접합(265)은 또한 자유층에서 이동 자계가 실질적으로 상쇄되도록 구성된다.
자기 접합(265)은 도 8에 도시된 기준층(266), 선택적 반-금속 삽입층(267), 비자성 금속 스페이서층(268) 및 자유층(269)과 각각 유사한 기준층(266), 선택적 반-금속 삽입층(267), 비자성 금속 스페이서층(268) 및 자유층(269)을 포함하는 혼합(hybrid) 자유층 자기 접합이다. 따라서, 층들(266, 267, 268 및 269)은 자기 접합(265)와 유사한 방법으로 구성된다.
또한, 자유층(269)은 비자성층(271)에 의해 분리되고 결합된 다중 강자성층들(270 및 272)을 명확히 포함한다. 비자성층(271)은 Ru와 같은 금속 물질일 수 있고, 층들(270 및 272)이 층(271)을 통해 교환 결합하도록 충분히 얇다. 또한, 층들(270 및 272)의 자기 모멘트들(미도시)은 직교한다. 하나의 자기 모멘트는 면 내이고, 반면 다른 것은 면에 수직하다.(층들(270 및 272) 사이의 자기 결합 부존재) 결과적으로, 자유층(269)의 알짜 자기 모멘트는 면 수직 방향(277)에 비스듬하다. 따라서, 자유층(269)은 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가지도록 구성된다.
자기 접합(265)은 자기 접합(265)과 유사한 장점들을 가진다. 저온 환경(102)에서의 더 낮은 저항(예를 들어 금속성 비자성 스페이서층(268)으로 인한)은 또한 자기 접합(265)의 읽기 및 기록을 용이하게 한다. 기준층(266)이 확장된 기준층이기 때문에 이동 자계의 더 많은 상쇄가 이루어질 수 있다. 이는 적은 기록 전류가 자기 접합(265) 및 메모리(120)의 프로그래밍에 사용되도록할 수 있다. 또한, 열적 변동들의 부존재 내(작동 중 저온 환경(102)의 온도(들)에 노출되는 동안)에서 자유층(269)에 대해 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크는 자기 접합(265)이 자기 메모리(120)의 작동 온도(들)에서 빠르게 프로그램 되도록 한다. 따라서, 자기 메모리(120)은 자기 접합(265)의 사용을 통해 적어도 부분적으로 양자 컴퓨팅 장치(100)의 사용에 적합할 수 있다.
도 10은 저온에서 0이 아닌 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합(265)에 대한 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 도 10은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 접합(265)은 자기 접합들(265 및 265)과 유사하다. 따라서, 비슷한 구성 요소들은 상응하는 도면 부호들을 갖는다. 자기 접합(265)은 도 2에 도시된 자기 접합(130)에 사용될 수 있다. 따라서, 자기 접합(265)은 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)의 저장 셀(124/124)에서 사용하기 위한 것이다. 자기 접합(265)은 양자 처리장치(110)와 관련되어 사용될 수 있고, 저온 환경(102)에서의 낮은 온도(들)에서 존재하고 작동할 수 있다. 나아가, 자기 접합(265)은 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있다. 자기 접합(265)은 또한 자유층이 열적 변동의 부존재 내에서 0이 아닌 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 자기 접합(265)은 또한 자유층에서 이동 자계가 실질적으로 상쇄되도록 구성된다.
자기 접합(265)은 도 8-9에 도시된 기준층(266), 선택적 반-금속 삽입층(267), 비자성 금속 스페이서층(268) 및 자유층(269/269)과 각각 유사한 기준층(266), 선택적 반-금속 삽입층(267), 비자성 금속 스페이서층(268) 및 자유층(269)을 포함하는 혼합(hybrid) 자유층 자기 접합이다. 따라서, 층들(266, 267, 268 및 269)은 자기 접합들(265 및/또는 265)과 유사한 방법으로 구성된다. 예를 들어, 자유층(269)은 층들(270, 271 및 272)을 포함하는 다중층으로 도시되어 있지만, 다른 실시예들에서, 자유층(269)은 단일층 혼합 자유층일 수 있다.
또한, 자기 접합(265)은 또한 추가적 비자성 금속성 스페이서층(273) 및 추가적 기준층(274)을 포함한다. 층들(273 및 274)은 층들(135 및 136)과 각각 유사하다. 따라서, 자기 접합(265)은 혼합 자유층 자기 접합일 뿐 아니라 이중 자기 접합이다.
자기 접합(265)은 자기 접합(265 및/또는 265)과 유사한 장점들을 가진다. 저온 환경(102)에서의 더 낮은 저항(예를 들어 금속성 비자성 스페이서층(268)으로 인한)은 또한 자기 접합(265)의 읽기 및 기록을 용이하게 한다. 기준층(266)이 확장된 기준층이기 때문에 이동 자계의 더 많은 상쇄가 이루어질 수 있다. 이는 적은 기록 전류가 자기 접합(265) 및 메모리(120)의 프로그래밍에 사용되도록할 수 있다. 또한, 열적 변동들의 부존재 내(작동 중 저온 환경(102)의 온도(들)에 노출되는 동안)에서 자유층(269)에 대해 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크는 자기 접합(265)이 자기 메모리(120)의 작동 온도(들)에서 빠르게 프로그램 되도록 한다. 따라서, 자기 메모리(120)는 자기 접합(265)의 사용을 통해 적어도 부분적으로 양자 컴퓨팅 장치(100)의 사용에 적합할 수 있다.
도 11은 저온에서 0이 아닌 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 접합을 포함하는 자기 메모리(280)의 한 부분에 대한 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 도 11은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 메모리(280)는 도 1에 도시된 자기 메모리(120)에 사용될 수 있다. 따라서, 자기 메모리(280)는 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)의 저장 셀(124/124)에 사용될 수 있는 자기 접합들(290)을 포함한다. 자기 메모리(280)는 양자 처리장치(110)와 관련되어 사용될 수 있고, 저온 환경(102)에서의 낮은 온도(들)에서 존재하고 작동할 수 있다. 나아가, 자기 접합(290)은 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있다. 자기 접합(290)은 또한 자유층이 열적 변동들의 부존재 내에서 0이 아닌 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성된다. 다르게 말하면, 자기 접합(290)은 저온 환경(102)의 작동 온도에서 기록 작동들을 위한 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가진다. 몇몇 실시예들에서, 자기 접합(290)은 또한 자유층에서 이동 자계가 실질적으로 상쇄되도록 구성된다.
자기 메모리(280)는 교차점 구조를 사용한다. 특히, 자기 메모리(280)는 도 1에 도시된 비트 라인(122)에 해당하는 비트 라인들(281), 워드 라인들(282), 및 워드 라인들(282)와 비트 라인들(281)이 교차하는 지점에 위치한 자기 접합들(290)을 포함한다. 읽기 및/또는 기록을 위해 선택된 자기 접합들(290)은 선택된 비트라인(들)(281)과 워드 라인(들)이 교차하는 곳의 영역(들) 내에 있다. 기록되기 위한 또는 읽히기 위한 자기 접합(290)은 적용 전압(들) 및/또는 라인들(281 및 282)을 통해 흐르는 전류(들)의 조합에 기반하여 선택된다. 라인들(281 및 282) 모두에 요구되는 조건들이 적용되는 곳(예를 들어, 교차점) 만이 프로그램 되거나 읽히는 자기 접합(290)이다. 다르게 말하면, 자기 접합(들)(290)의 선택은 선택된 라인들(281 및 282)의 교차점(들)에 기반한다. 몇몇 실시예들에서, 선택 트랜지스터(미도시)는 영역(283) 각각에 결합되고, 접지를 위해 자기 접합(290)에 선택적으로 연결하는 것에 사용될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 자기 접합들(290)은 자기 접합들(290)의 자유층들(도 11에 미도시)의 자화 용이축으로부터 0보다 큰 각을 이루는 자기장을 이용하여 프로그램될 수 있다. 예를 들어, 자기 접합들(290)의 자유층들의 자화 용이축이 x축을 따라서 있다고 가정한다. 그러면, 자기 접합들(290)의 안정한 자기 상태들은 +x 방향 및 -x 방향으로 자유층 자기 모멘트를 가질 것이다. 그러한 실시예에서, 자기장은 선택된 비트 라인(281) 및 선택된 워드 라인(282)을 흐르는 기록 전류들에 의해 작용될 수 있다. x축으로부터 기울어진 충분한 장은 오직 선택된 비트 라인(281) 및 선택된 워드 라인(282)의 교차 영역에 위치한 자기 접합(290)에 의해 생성될 것이다. 또한, 자기장이 자화 용이축에서 0이 아닌 각(x축에서 비스듬한)으로 작용되기 때문에, 상기 장은 자기 접합(290)의 정체점에서 떨어져서 작용된다고 여겨진다. 따라서, 자기 접합(290)은 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가지는 것으로 여겨진다. 몇몇 실시예들에서, 선택된 교차점들 및, 따라서, 기록되기 위해 또는 읽히기 위해 선택된 자기 접합(들)(290)은 다른 방법들로 결정될 수 있다. 예를 들어, 스핀 분극 전류가 요구되는 교차점 구조에 기반하여 자기 접합(290)(0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가진)을 통해 또는 근접하여 흐를 수 있다.
자기 접합(290)은 자기 접합(130)과 유사한 방법으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 자유층은 기록을 용이하게 하는 상쇄된 이동 자계 및/또는 낮은 자기 이방성을 가지도록 요구될 수 있다. 비자성 스페이서층(들)은 저온 환경(102)의 요구되는 저항을 제공하기 위해 금속성일 수 있다. 금속들 및/또는 호이슬러 합금들과 같은 자기저항을 강화시키는 물질들이 또한 사용될 수 있다. 나아가, 위에서 설명한 바와 같이, 자기 접합은 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가지도록 구성될 수 있다.
또한, 자기 메모리(280)는 스핀-궤도 결합(SO) 라인들(283)을 포함할 수 있다. SO 라인들(283)이 사용될 수 있다. SO 라인들(283)은 강한 스핀-궤도 상호작용을 가지고, 자기 접합(290)의 자유층의 자기 모멘트 스위칭에 사용될 수 있다. SO 라인(283)을 통해 면 내를 흐르는 전류는, 아래에서 설명하는 바와 같이, 자기 접합의 스핀-궤도 토크를 발생시킨다. 그러한 토크는 자기 접합들(290)의 스위칭에 도움이 되도록 사용될 수 있다.
양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)에서의 자기 메모리(280)의 사용은 저온 환경에서 자기적으로 데이터 저장을 할 수 있도록 하고, 양자 컴퓨팅 장치(100)의 장점들을 얻을 수 있도록 한다. 자기 접합(290)의 더 낮은 저항, 거대 자기 저항, 낮은 이방성 및 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크는 양자 컴퓨팅 장치(100)에서 자기 메모리(280)의 사용을 용이하게 한다.
도 12a-12b는 저온에서 0이 아닌 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 교차점 구조가 있는 자기 메모리(280)에 대한 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 도 12a-12b는 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 도 12a는 평면도인 반면, 도 12b는 측면도이다. 자기 메모리(280)는 자기 메모리(280) 및 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)와 유사하다. 따라서, 비슷한 구성 요소들은 상응하는 도면 부호들을 갖는다. 자기 메모리(280)는 비트 라인들(281), 워드 라인들(282) 및 자기 접합들(290)과 유사한 비트 라인들(281), 워드 라인들(282), 및 자기 접합들(290)을 포함한다. 자기 접합(290)은 도 2에 도시된 자기 접합(130) 및 도 11에 도시된 자기 접합(290)에 사용 될 수 있다. 따라서, 자기 접합(290)은 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)의 저장 셀(124/124)에서 사용하기 위한 것이다. 자기 접합(290)은 양자 처리장치(110)와 관련되어 사용될 수 있고, 저온 환경(102)에서의 낮은 온도(들)에서 존재하고 작동할 수 있다. 나아가, 자기 접합(290)은 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있다. 자기 접합(290)은 또한 자유층이 열적 변동들의 부존재 내에서 0이 아닌 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성된다. 몇몇 실시예들에서, 자기 접합(290)은 또한 자유층에서 이동 자계가 실질적으로 상쇄되도록 구성된다.
자기 접합들(290) 및 라인들(281및 282)에 추가하여, 메모리(280) 또한 컨택 패드들(contack pads)(285) 및 분극자들(284)을 포함한다. 컨택 패드들(285)은 비트 라인들(281)을 만들기 위한 전기적 연결이 되도록 한다. 분극자들(284)은 상기 분극자들(284)의 자기 모멘트의 방향으로 전류를 분극시키는 자기 분극자들이다. 예를 들어, 분극자들(284)의 자기 모멘트가 도 12a에서 페이지(page)의 면에서 나오는 방향이라면, 페이지의 하부에서 상부로 흐르는 전류는 페이지의 면으로 들어가는 방향의 스핀들로 분극되는 반면 페이지들의 상부에서부터 흐르는 전류는 페이지의 면에서 나오는 방향의 스핀들로 분극된다. 몇몇 실시예들에서, 분극자들(284)은 라인들(282)에 접하여 존재하는 강자성층(들)일 수 있다. 분극자들(284)의 물질들은 Fe, Co, 및 Ni 강자성 물질들; Fe, Co, 및/또는 Ni 합금(들); 비자성 물질을 가지는 Fe, Co 및/또는 Ni 합금(들), 및/또는 Fe, Co 및/또는 Ni 강자성 물질(들) 및 비자성 스페이서 층들의 다중층들을 포함한다. 합금(들)에 사용된 비자성 물질(들)은 B, Ta, W, Hf, Ti, Cr, V, Mg, Be, Zr, Nb, Mo, Pd, Pt, Re 및/또는 Rh를 포함할 수 있다. 라인들(282)은 또한 분극자들(284)로부터 스핀 정보를 보존하기 위해 긴 스핀 확산 길이를 가지도록 요구될 수 있다. 스핀 확산 길이가 온도 감소에 따라 증가하기 때문에, 구리와 같은 높은 전도성 물질(들)이 저온 환경(102)에서 충분히 긴 스핀 확산 길이를 가질 수 있다. 라인(282) 당 하나의 분극자가 도시되어 있지만, 몇몇 실시예들에서, 라인(282) 당 여러 분극자들(284)이 사용될 수 있다.
자기 접합(290)은 상기 실시예에 도시된 비트 라인(281)인 확장된 기준층(293), 비자성 장벽 스페이서층(292) 및 자유층(291)을 포함한다. 또한 선택적 금속층(288) 및 워드 라인(282)이 도시된다. 기준층(293)이 확장된 기준층이기 때문에, 확장된 기준층(293)의 측벽들은 자유층(291)의 측벽들보다 층들의 면 상에서 적어도 한 방향으로 더 멀리 확장된다. 선택적 금속층(288)은 워드 라인(282)과 자유층(291) 사이의 Cu와 같은 높은 전도성 층일 수 있다. 자기 접합(290)은 또한 강화된 자기저항을 위한 결정성 MgO일 수 있는 장벽층(292)를 포함한다. 층(284)의 물질들은 강자성 물질들 Fe, Co, Ni, 이 물질들의 합금, 상기 물질들 및 비자성 물질 X = B, Ta, W, Hf, Ti, Cr, V, Mg, Be, Zr, Nb, Mo, Pd, Pt, Re, Rh 의 합금 또는 강자성 물질들 및 비자성 스페이서들의 다중층들을 포함할 수 있다.
자유층(291)이 전압 제어 자기 이방성을 가지기 때문에, 자기 접합(290)은 전압 제어 이방성 자기 접합이다. 다르게 말하면, 전압이 자유층(291)에 적용되면, 자기 이방성은 증가하거나 감소할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 자유층(291)과 비트 라인(281) 사이에서 발생하는 전압은 자유층(291)의 자기 이방성을 감소시킬 수 있다. 자기 이방성의 감소는 자유층(291)의 전류 안정된 자기 상태(current stable magnetic state)를 불안정화 시킨다. 예를 들어, 자유층(291)의 자화 용이축은 면에 수직할 수 있다. 자유층 자기 모멘트의 안정 상태들은 페이지의 상부를 향하는 자기 모멘트 및 페이지의 하부를 향하는 자기 모멘트와 함께 존재한다. 이 조건은 면에 수직한 방향으로부터 비스듬히 존재하는 자유층(291)의 자기 모멘트(297)가 도시된 도 12b에 나타난다. 전압이 자유층(291)에 적용되지 않고 자유층(291)이 프로그램되지 않는 한, 자유층(291)의 자기 상태는 안정하다.
자기 접합(290)이 교차점 구조 및 선택된 비트 라인(281) 및 워드 라인(282)의 조건들에 기반하여 선택된다. 자기 접합(290)을 프로그램하기 위해 전압은 원하는 비트 라인(들)(281) 및 선택된 워드 라인(들)(282)을 통해 면 내로 흐르는 전류에 적용된다. 위에서 설명한 것처럼, 자기 접합(290)은 전압 제어 이방성 자기 접합이다. 장벽층(292)의 존재는 전압이 라인 (281/293)에 적용될 때, CPP 방향으로 자기 접합(290)을 통해 흘러오는 전류를 막을 수 있다. 하지만, 전압은 장벽층(292)을 가로질러 인가될 수 있다. 이 전압은 자유층(291)의 이방성을 감소시키고, 자유층 자기 모멘트를 면에 수직한 방향에서 비스듬하도록 한다. 자기 모멘트(297)가 면에 수직한 방향에서 비스듬한 상황은 도 12b에 나타나 있다. 또한, 전류는 라인(282)을 통하여 면 내로(도 12a의 페이지 상부로/상부에서 및 도 12b의 페이지 면으로 들어가는/나오는) 흐른다. 분극 요소들(284)은, 예를 들어 도 12b에 나타난, 스핀 전류 운반자들(carriers)(286)을 분극시킨다. 장벽층(292)의 존재는 자기 접합(290)을 통해 CPP 방향에서 흘러오는 전류를 막을 수 있다. 하지만, 스핀 분극 전류는 선택된 자기 접합(290)에 인접한 라인(282)을 통해 흐른다. 스핀 전류 운반자들(286)은 여전히 자유층(291)에 스핀 정보를 전달할 수 있다. 워드 라인(282)을 통해 흐르는 전류는 자유층(291)의 자기 모멘트(297)의 스위칭에 사용될 수 있다. 또한, 자유층의 자기 이방성이 전압에 의해 감소되었고, 자기 모멘트(297)가 도시된 바와 같이 비스듬할 수 있기 때문에, 스핀 전류 운반자들(286)은 자유층 자기 모멘트(297)로부터 0이 아닌 각도로 향해있는 그것들의 스핀들을 가진다. 따라서, 스핀 전류 운반자들(286)은 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가질 수 있다. 스핀 전달 토크라는 용어가 사용되었지만, 전류는 자기 접합(290)을 통해 흐르지 않을 수 있다는 것에 유의한다. 따라서, 본 명세서에서 사용된 것과 같이, 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크는 초기에 0이 아닌 다른 스핀 토크들을 포함한다. 스핀 전류 운반자들(286) 및 자유층 자기 모멘트(297)의 방향들이 온도보다 전압 제어 이방성 및 분극자들(284)의 자화 방향에 의존하는 점에 유의한다. 따라서, 상기 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크가 열적 변동들의 부존재에서 달성될 수 있다. 전압제어 이방성 및 라인들(282)을 통하는 스핀 전류의 조합을 통하여 요구되는 자기 접합(들)(290)은 프로그램 될 수 있다. 라인(281)에 적용되는 전압 또는 라인(282)을 통하는 전류가 없는 이들 자기 접합은 프로그래밍이 수행되지 않는다. 따라서, 오직 선택된 교차점(들)에서의 자기 접합(들)(290)만 스위치될 수 있다. 원하는 자기 접합(290)을 읽기 위해, 전류는 자기 접합(290)의 자기 저항을 결정하기 위한 CPP 구조에서 자기 접합(290)을 통해 흐른다. 상기 읽기 전류는 교차점들에서 원하는 자기 접합(들)(290)의 읽기가 가능하게 하기 위해 오직 선택된 라인(들)(282및 284) 사이에서 흐른다.
양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120) 및 자기 접합(130)으로서의 자기 메모리(280) 및 자기 접합(290)의 사용은 저온 환경에서 자기적으로 데이터 저장을 할 수 있도록 하고, 양자 컴퓨팅 장치(100)의 장점들을 얻을 수 있도록 한다. 예를 들어, 기준층들(293/281)로 인한 더 상쇄된 이동 자계(shift field)는 더 적은 기록 전류가 자기 접합(290) 및 메모리(120)의 프로그래밍에 사용되도록 한다. 또한, 열적 변동들의 부존재 내(작동 중 저온 환경(102)의 온도(들)에 노출되는 동안)에서 자유층(291)에 대한 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크는 자기 접합(290)이 자기 메모리(120/280)의 작동 온도(들)에서 빠르게 프로그램 되도록 한다. 따라서, 자기 메모리(280)는 양자 컴퓨팅 장치(100)의 사용에 적합할 수 있다.
도 13a-13b는 저온에서 0이 아닌 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 교차점 구조가 있는 자기 메모리(280)에 대한 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 도 13a-13b는 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 도 13a는 평면도인 반면, 도 13b는 측면도이다. 자기 메모리(280)는 자기 메모리(280 및/또는280)와 유사하다. 또한 자기 메모리(280)는 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)와 유사하다. 따라서, 비슷한 구성 요소들은 상응하는 도면 부호들을 갖는다. 자기 메모리(280)는 비트 라인들(281/281), 워드 라인들(282/282), 분극자들(284), 패드들(285) 및 자기 접합들(290/290)과 각각 유사한 비트 라인들(281), 워드 라인들(282), 분극자들(284), 패드들(285) 및 자기 접합들(290)을 포함한다. 자기 접합(290)은 도 2에 도시된 자기 접합(130) 및 도 11에 도시된 자기 접합(290)에 사용될 수 있다. 따라서, 자기 접합(290)은 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)의 저장 셀(124/124)에서 사용하기 위한 것이다. 자기 접합(290)은 양자 처리장치(110)와 관련되어 사용될 수 있고, 저온 환경(102)에서의 낮은 온도(들)에서 존재하고 작동할 수 있다. 나아가, 자기 접합(290)은 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있다. 자기 접합(290)은 또한 자유층이 열적 변동들의 부존재 내에서 0이 아닌 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성된다. 몇몇 실시예들에서, 자기 접합(290)은 또한 자유층에서 이동 자계가 실질적으로 상쇄되도록 구성된다.
아래에서 설명하는 바와 같이, 라인들(282및 281)은 스핀 분극 전류를 운반한다. 몇몇 실시예들에서, 라인(282)은 스핀-궤도 결합(SO) 라인이다. 다른 실시예들에서, 라인(282)은 분극자들(284)에 의해 스핀 분극된 전류를 운반하는 높은 전도성 라인일 수 있다. 유사하게, 몇몇 실시예들에서, 라인(281)은 SO 라인이다. 다른 실시예들에서, 라인(281)은 분극자들(미도시)에 의해 스핀 분극된 전류를 운반하는 높은 전도성 라인일 수 있다. 아래에서 설명하는 바와 같이, SO 라인은 강한 스핀-궤도 결합을 가지고, 스핀-궤도(SO) 장을 만드는 물질(들)을 포함한다. 상기 장은 SO 라인을 통한 전류의 흐름에 의해 발생할 수 있다. 장의 크기는 전류 밀도에 비례한다. 상기 SO 장은 아래에서 설명하는 바와 같이 스핀 전달 토크와 유사하고, 자기 접합(290)을 스위치할 수 있다.
자기 접합(290)은 기준층(293), 비자성 장벽 스페이서층(292) 및 분할(split) 자유층(291)을 포함한다. 또한 워드 라인(282)도 도시되어 있다. 선택적 금속층(미도시)은 워드 라인(282)과 자유층(291)의 층(295) 사이에 제공될 수 있다.
자유층(291)은 강자성층들(294 및 295)를 포함하는 분할 자유층이다. 따라서, 기준층(293)은 강자성층들(294 및 295) 사이에 있고, 장벽층(292)에 의해 강자성층(294 및 295)에서 분리되며, 금속성 스페이서층(296)이다. 장벽층(292)은 결정성 MgO를 포함할 수 있다. 자기 모멘트들 및, 몇몇 실시예에서, 층들(294 및 295)의 두께들은 다를 수 있다는 것을 유의한다. 예를 들어, 더 두꺼운 층(294)은 도 13b에 도시된 것과 같이 더 큰 자기 모멘트를 가질 수 있다. 층들(294 및 295)의 자기 모멘트들은 또한 정자기장(magnetostatic field)에 의해 반강자성적으로 결합되고, 면 내에 있다. 자유층(291)의 자기적 안정 상태들은 모두 도시되어 있다. 하나의 안정 상태에서, 강자성층(294)의 모멘트는 오른쪽을 향하는 반면, 강자성층(295)의 모멘트는 왼쪽을 향한다. 다른 안정 상태에서, 강자성층(294)의 모멘트는 왼쪽을 향하는 반면, 강자성층(295)의 모멘트는 오른쪽을 향한다. 단순화를 위해, 층(294)의 자기 모멘트가 오른쪽을 향하고, 층(295)의 자기 모멘트가 왼쪽을 향하는 경우만을 도시한다.
자기 접합(290)은 교차점 구조 및 선택된 비트 라인(281) 및 워드 라인(282)의 조건들에 기반하여 선택된다. 상기 도시된 실시예에서, 워드 라인(282) 및 비트 라인(281)은 자기 접합(290)의 프로그래밍을 위한 스핀 분극 전류를 운반한다. 따라서, 하나의 경우로, 전류 운반자들(286및 287)이 도 13b에 도시된다. 자기 접합(290)은 반대 방향들로 분극된 스핀들의 스핀 분극 전류들이 라인들(282및 281)에서 흐를 때만 프로그램된다. 그러한 상황이 도 13b에 도시된다. 만약 전류 운반자들(286및 287)이 도시된 스핀 분극이라면, 라인(들)(281및 282)의 교차점(들)에 위치한 자기 접합은 도 13b에 도시된 상태에서 프로그램된다. 만약 전류 운반자들(286및 287)이 반대 방향들로 스핀 분극된다면, 자기 접합(290)은 다른 안정 자기 상태에서 프로그램될 것이다. 만약 오직 라인(281) 또는 라인(282)에만 전류가 흐르고 둘 모두에 흐르지 않는 경우, 교차점의 자기 접합(290)은 프로그램 되지 않을 것이다. 라인들(281및 282)의 전류가 프로그래밍되는 동안 자기 접합(290)을 통해 흐르지 않는다는 것을 유의한다. 하지만, 스핀 정보는 여전히 라인들(281및 282)에서 자기 접합(290)으로 전달 될 수 있다. 따라서, 자기 접합(290)은 라인들(281및 282)에 의해 운반되는 스핀 분극 전류 및 교차점 구조에 기반하여 프로그램될 수 있다.
자기 접합(290)은 또한 자유층(291)이 열적 변동들의 부존재 내에서도(말하자면, 저온 환경(102)의 온도(들)에서) 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가질 수 있도록 구성될 수 있다. 따라서 자기 접합(290)은 정체점에 의한 문제를 해결할 수 있다. 자유층(291)의 면 내(in-plane) 자화 용이축은 SO 라인들(281)에 대하여 각도를 가지고 위치할 수 있다. 예를 들어, 셀들(290)은 그것들의 장축이 SO 라인들(281)의 방향으로부터 0이 아닌 각을 이루도록 패턴될 수 있다. 그러한 구성은 0이 아닌 초기 SO 토크가 자유층(291)에 가능하게 한다. 또한 자유층(291)의 층들(294 및 295)에 플럭스 닫힘이 존재한다. 결과적으로, 층들(294 및 295)의 자기 모멘트들은 가장자리들 근처에서 기울어질 수 있다. 따라서, 자유층(291)의 이러한 부분들은 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 받는다. 따라서 정체점 문제들은 스핀 전달 및 SO 토크들 모두에 존재할 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 자기 접합(290)은 또한 자유층(291)에서 실질적으로 상쇄되는 이동 자계를 가질 수 있다. 단일층의 기준층(293)에 대해, 각각의 하부층들(294 및 295)에서 상기 장은 보상되지 않는다. 기준층(293)이 자유층(291)의 층들(294 및 295) 사이에 있기 때문에, 이동 자계는 전체적으로 자유층(291)을 보상한다. 몇몇 실시예들에서, 기준층(293)은 여러 하부층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기준층(293)은 반강자성적으로 결합된 자성층(들)인 비자성층(들)이 삽입된 자성층들을 포함할 수 있다. 따라서, 기준층(293)은 SAF일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 자유층(291)뿐 아니라 각각의 하부층들(294 및 295) 전체에서 이동 자계들은 보상된다.
자기 접합(290)을 읽기 위하여, 전류는 자기 접합(290)을 통해 CPP 방향으로 흐른다. 장벽층(292)의 자기 저항은 자기 접합(290)의 저항보다 우세하다. 따라서, 자기 접합(290)의 상태는 기준층(293) 및 강자성층(294)의 모멘트들의 방향들에 기초하여 결정될 수 있다.
양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120) 및 자기 접합(130)으로서의 자기 메모리(280) 및 자기 접합(290)의 사용은 저온 환경에서 자기적으로 데이터 저장을 할 수 있도록 하고, 양자 컴퓨팅 장치(100)의 장점들을 얻을 수 있도록 한다. 예를 들어, 열적 변동들의 부존재 내(작동 중 저온 환경(102)의 온도(들)에 노출되는 동안)에서 자유층(291)에 대한 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크(0이 아닌 초기 SO 토크)는 자기 접합(290)이 자기 메모리(120/280)의 작동 온도(들)에서 빠르게 프로그램되도록 한다. 따라서, 자기 메모리(280)는 양자 컴퓨팅 장치(100)의 사용에 적합할 수 있다.
도 14는 저온에서 0이 아닌 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 메모리(300)의 한 부분에 대한 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 도 14는 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 메모리(300)는 도 2에 도시된 자기 메모리(130)에 사용될 수 있는 자기 접합(310)을 포함한다. 따라서, 자기 접합(310)은 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)의 저장 셀(124/124)에서 사용하기 위한 것이다. 자기 메모리(300)는 양자 처리장치(110)와 관련되어 사용될 수 있고, 저온 환경(102)에서의 낮은 온도(들)에서 존재하고 작동할 수 있다. 나아가, 자기 접합(310)은 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있다. 자기 접합(310)은 또한 자유층이 열적 변동들의 부존재 내에서 0이 아닌 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성된다. 다르게 말하면, 자기 접합(310)은 저온 환경(102)의 작동 온도에서 기록 작동들을 위한 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가진다. 몇몇 실시예들에서, 자기 접합(310)은 또한 자유층에서 이동 자계가 실질적으로 상쇄되도록 구성된다.
자기 접합(310)은 자유층(134), 비자성 스페이서층(133), 기준층(132) 및 선택적 고정층(137)과 각각 유사한 자유층(311), 금속 또는 절연 장벽층일 수 있는 비자성 스페이서층(312), 기준층(313), 선택적 고정층(317)을 포함한다. 예를 들어, 비자성 금속 스페이서 층(312)은 Ag, AgSn, Cu, Cr 및 Ge 중의 하나 또는 그 이상과 같은 금속들을 포함할 수 있다. 큰 자기저항이 요구되기 때문에, 자유층(311)은 호이슬러 합금(들) 및/또는 반 금속들을 포함할 수 있다. 자유층의 자기 모멘트는 면 내에 있고, 도 14에 도시된 자화 용이축(318)(예를 들어, +x 방향 또는 -x 방향)을 따라 안정할 수 있다.
기준층(313)은 비자성층(315)이 삽입된 강자성층들(314 및 316)을 포함하는 SAF이다. 강자성층들(314 및 316)의 자기 모멘트들은 반강자성적으로 결합한다. 이 결합 때문에 기준층(313)으로 인한 이동 자계는 실질적으로 자유층(311)에서 상쇄된다. 자유층(311)의 자기 모멘트는 또한 면 내에 있다. 따라서 자유층(311)의 자기 이방성은 상대적으로 작을 수 있다. 결과적으로, 기록 전류는 감소할 수 있다. 하지만, 자기 접합은 여전히 자유층(311)의 안정한 상태들을 만드는 형상 이방성 및/또는 충분한 다른 자기 이방성을 가질 수 있다는 것을 유의한다. 예를 들어, 직각으로 도시되어 있지만, x-y 평면상 자기 접합(310)의 횡단면이 x축에 평행한 장축을 가지는 타원형일 수 있다.
자유층은 라인(302)을 통해 흐르는 스핀 분극 전류를 이용하여 스위치된다. 스핀 분극 전류는 SO 전류일 수 있다. 따라서, 스핀 분극 전류 및 SO 전류의 용어들은 자기 메모리(300)에서 상호 교환 사용될 수 있다. SO 라인(302)은 라인(122)에 해당하는 비트 라인일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, SO 라인(302)은 하나 또는 그 이상의 분극자들과 연결되는 높은 전도성 라인일 수 있다. 따라서, SO 라인(302)은 라인(282)과 유사할 수 있다. 다른 실시예들에서, SO 라인(302)은 높은 SO 결합을 가지는 물질(들)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 라인(302)은 Pt, Ta, W, Bi 및/또는 이 물질들의 합금들을 포함할 수 있다. SO 라인(302)은 스핀-궤도장 HSO의 발생에 사용될 수 있다. 더 특별하게, 전류, JSO,는 SO 라인(302)을 통해 면 내로 흐른다. 전자들이 도 14에서 도시된 것과 같이, 전류의 반대 방향으로 흐를 수 있다는 것을 유의한다. SO 라인(302)의 스핀-궤도 상호작용으로 인해, 이 층을 흐르는 전류는 전류 밀도 JSO에 비례하는 스핀-궤도장 HSO를 발생시킬 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 스핀-궤도장 HSO은 재료 상수들 및 SO 라인(302)의 구조에 의해, 그리고 전류 JSO의 방향에 의해 결정되는 벡터 p SO에평행하다. 몇몇 다른 실시예들에서, HSO는 M이 자유층(311)의 자기 모멘트의 벡터인 벡터 [Mxp SO]에 평행하다. 몇몇 다른 실시예들에서는, HSO는 벡터들 [Mxp SO]및 p SO의선형결합(linear combination)에 비례한다. 스핀-궤도장 HSO은 자유층의 자기 모멘트에 대한 스핀-궤도 토크 TSO와 같다. 자유층(311) 상의 스핀-궤도 토크는 TSO=-g[M x H SO ]로 주어진다. 따라서 이 상호 연관 토크(mutually correlated torque) 및 장(field)은 스핀-궤도장 및 스핀-궤도 토크로 바꿔서 부를 수 있다. 이는 스핀-궤도 상호작용이 스핀-궤도 토크 및 스핀-궤도장의 기원임을 반영한다. 스핀-궤도 토크는 SO 라인(302) 및 스핀-궤도 상호작용을 통해 면 내에서 흐르는 전류를 발생시키는 것에 유의한다. 대조적으로, 스핀 전달 토크는 기술적으로 자기 접합(310)을 통해 CPP 방향에서 흐르는 전류를 발생시킨다. 도시된 실시예에서, 스핀 전달 토크는 전류 밀도 JSTT에 의해 발생한다. 스핀-궤도 토크 TSO는 자유층(311)의 자기 모멘트를 자화 용이축에 평행한 평형 상태에서 빠르게 편향 시킨다. SO 라인(302)을 통해 흐르는 전류는 면 내에 있기 때문에 매우 큰 전류 밀도를 가질 수 있다. 이 SO 라인(302)에서의 전류 밀도는 셀(cell) 트랜지스터(만약 존재한다면)의 크기에 의해 제한되는 자기 접합(310)을 통해 흐르는 전류 밀도보다 더 클 수 있다. 따라서, JSO에 의해 생성되는 스핀-궤도 토크는 자기 접합(310)을 통해 흐르는 전류에 의해 생성되는 최대 STT 토크보다 상당히 더 클 수 있다. 결과적으로, 스핀-궤도 토크는 일반적인 STT 토크보다 상당히 빠르게 자유층(311)의 자화를 기울인다. 몇몇 실시예에서, 스핀 전달과 같은 또 다른 원리(mechanism)가 스위칭을 달성하는 것에 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 스위칭은 스핀-궤도 토크를 이용하여 완료된다. 따라서 생성된 스핀-궤도장/스핀-궤도 토크는 자유층(311)의 자기 모멘트를 스위칭하는 것에 사용될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, SO 상호작용은 두 효과들(스핀 홀(Hall) 효과 및 라쉬바(Rashba) 효과)의 어떤 조합을 포함할 수 있다. 많은 SO 능동층들에서, 스핀-궤도 상호작용은 스핀 홀 효과 및 라쉬바 효과를 모두 포함하지만, 둘 중의 하나가 우세하다. 다른 스핀-궤도 효과들도 또한 적용될 수 있다. 스핀 홀 효과는 일반적으로 덩어리 효과(bulk effect)로 여겨진다. 일반적으로 스핀 홀 효과로 인해 SO 라인(302)의 주어진 면에서의 벡터 p SO 는전류의방향에수직하고, 면의 법선 벡터이다. 스핀 홀 효과를 나타내는 물질들은 보통 중금속들 또는 중금속들에 의해 도핑(dopping)된 물질들을 포함한다. 예를 들어, 그러한 물질들은 B가 도핑된 A 및 M 중 적어도 하나에서 선택될 수 있다. A는 Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Cd, In, Sb, Te, Hf, Ta (고저항성 비정질 b-Ta를 포함하는), W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, At, 및/또는 그것들의 조합물들을 포함하고; M은 Al, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Ag, Hf, Ta, W, Re, Pt, Au, Hg, Pb, Si, Ga, GaMn 또는 GaAs 중 적어도 하나를 포함하며; B는 V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, P, S, Zn, Ga, Ge, As, Se, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In Sb, Te, I, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, At, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 중 적어도 하나를 포함한다. 몇몇 실시예에서, SO 라인(302)은 Cu가 도핑된 Ir 및/또는 Cu가 도핑된 Bi를 포함할 수 있거나, 구성될 수 있다. 상기 도핑은 일반적으로 0.1~10 원자%의 범위 내이다. 다른 실시예들에서, 다른 물질들이 사용될 수 있다.
SO 라인(302) 내의 스핀-궤도장 HSO의 또 다른 원천은 계면들에서의 스핀-궤도 상호작용과 관련이 있을 수 있다. 이 경우의 스핀-궤도장의 크기는 보통 계면에서 높은 결정장(crystal field)의 크기와 흔히 관련이 있다. 인접 층들간 격자 변수들의 어긋남, 계면에서 중금속들의 존재, 및 다른 효과들로 인해, 스핀-궤도 상호작용이 몇몇 계면들에서 상당히 클 수 있다. 계면 평면 방향에 수직한 결정장의 기울기와 관련된 계면에서의 강한 스핀-궤도 효과는 보통 라쉬바(Rashba) 효과로 지칭된다. 하지만, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 라쉬바 효과는 계면에서 그것의 원인과 방향에 무관하게 스핀-궤도 상호작용으로 지칭된다. 적어도 몇몇 실시예들에서, 상당한 크기의 라쉬바 효과를 얻기위해 SO 라인(302)의 계면들이 달라야 함을 유의한다. 예를 들어, 라쉬바 효과는 자기 접합(310)에 접한 Pt층 및 자유층(311)의 Co층 이거나/가지는 SO 라인에서 발생한다. 다른 몇몇 실시예들에서, 다른 물질들이 사용될 수 있다.
라쉬바 효과에 대한 스핀-분극의 단위 벡터는 일반적으로 결정장 및 전류 방향에 수직이다. 많은 SO 라인(302)이 층(302)의 평면에 수직인 결정장을 가진다. 그것과 같이, 스핀-궤도 분극은 면 내 방향, 예를 들어 도 14의 HSO방향, 일 수 있다. 대신, SO 라인(302)은 면 내 또는 면에 대해 비스듬한 결정장을 가질 수 있다. 그것과 같이, SO 라인(302)은 면(도 14에 미도시)에 수직하거나 상대적으로 면(도 14에 미도시)에 대해 비스듬한 스핀-궤도 분극을 가진다. 그러한 실시예들에서, SO 라인(302)은 표면 합금을 포함할 수 있다. 예를 들어, SO 라인(302)은 Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, I, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, At, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 및/또는 이들의 조합물들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, SO 라인(302)은 A/B의 표면 합금들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 원자층들의 가장 상위층이자 주(host) 물질 B의 (111) 표면에 존재하는 A의 원자들은 A와 B의 혼합물이다. A는 Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, I, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, At, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 중 적어도 하나를 포함하고, B는 Si, Zn, Cu, Ag, Au, W, Zn, Cr, Pt, Pd 중 적어도 하나를 포함한다. 많은 예시들에서, A는 둘 또는 셋의 다른 물질들을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, A의 0.1 내지 3 단일층들이 적층된다. 몇몇 그러한 실시예들에서, A의 단일층의 약 1/3이 적층된다. 몇몇 실시예들에서, 이는 치환형 Bi/Ag, 치환형 Pb/Ag, 치환형 Sb/Ag, 치환형 Bi/Si, 치환형 Ag/Pt, 치환형 Pd/Ge, 치환형 Bi/Cu, 및 Au, Ag, Cu 또는 Si의 (111) 표면 상에 존재하는 층을 포함하는 이중층 중의 하나 또는 그 이상일 수 있다. 다른 실시예들에서, SO 라인(302)은 InGaAs, HgCdTe 또는 LaAlO3/SrTiO3 이중층, LaTiO3/SrTiO3 이중층과 같은 화합물들을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 다른 물질들이 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 라쉬바 효과는 자유층(311) 상의 스핀-궤도 토크 TSO및 대응하는 스핀-궤도장 HSO를 만든다. 따라서, 자기 접합(310) 상의 SO 토크는 스핀 홀 효과, 라쉬바 효과 및/또는 다른 유사한 효과 중의 하나 또는 그 이상의 조합일 수 있다.
따라서, 자기 메모리(300)는 자유층(311)의 자기 모멘트 스위칭에서 스핀-궤도 상호작용 및 SO 라인(302)에 의해 생성되는 스핀-궤도장을 이용할 수 있다. 스핀-궤도(SO) 토크는 데이터 저장/자유 층(311)의 자기 모멘트에 토크를 가할 수 있다. 이 SO 토크는 자유층(311)의 자기 모멘트 스위칭에 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, SO 토크는 자유층(311)의 자기모멘트 스위칭을 돕는다. 스핀 전달 토크와 같은 다른 메커니즘은 주요한 스위칭 메카니즘(primary switching mechanism)이다. 다른 실시예들에서, 스핀-궤도 토크는 자유층(311)의 자기 모멘트에 대한 주요한 스위칭 메카니즘이다. 하지만, 몇몇 그러한 실시예들에서, 스핀-궤도 토크는 스핀 전달 토크와 같은 또 다른 원리에 의해 보조될 수 있다. 이러한 보조는 자유층(311)의 자기 모멘트를 스위칭하는 것 및/또는 스위칭을 위한 자기 접합을 선택하는 것에 제공될 수 있다.
자기 접합(310)은 또한 자유층(311)이 열적 변동들의 부존재 내에서도(말하자면, 저온 환경(102)의 온도(들)에서) 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크(및/또는 SO 토크)를 가질 수 있도록 구성될 수 있다. 자기 접합(310)을 프로그램하기 위해 기록 전류는 도시된 바와 같이 SO 라인(302)을 통해 면 내에서 흐를 수 있다. 이는 열적 변동들의 부존재 내에서도 자유층(311)의 자기 모멘트를 빠르게 편향시키는 SO 토크를 발생시킨다. 몇몇 실시예들에서, 기록 전류는 또한 CPP 방향에서 자기 접합(310)을 흐른다. SO 토크로 인한 편향 때문에 CPP 기록 전류는 자기 접합(310)에 대해 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가진다. 이와는 달리, SO 토크는 자유층의 자기 모멘트(318)의 스위칭을 완료하기 위하여 사용될 수 있다. 하지만, 그러한 실시예들에서, 초기 SO 토크는 여전히 자유층의 자기 모멘트(318)로부터 0이 아닌 각을 가진다. 따라서, 0이 아닌 초기 SO 토크는 기록 중에 인가된다. 이러한 0이 아닌 초기 SO 토크는 위에서 설명한 바와 같이 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크와 동일하게 여겨진다. 따라서, 스위칭 메카니즘들 모두에서, 자기 접합(310)은 자유층(311)이 기록을 위해 0이 아닌 스핀 전달 토크를 가지도록 구성된다.
양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)에서의 자기 메모리(300)의 사용은 저온 환경에서 자기적으로 데이터 저장을 할 수 있도록 하고, 양자 컴퓨팅 장치(100)의 장점들을 얻을 수 있도록 한다. 예를 들어, 자유층에 사용된 물질(들)에 부분적으로 기인한 자기 접합(310)의 더 큰 거대 자기저항은, 자기 메모리(120)의 읽기를 용이하게할 수 있다. 저온 환경(102)에서의 더 낮은 저항(예를 들어 금속 비자성 스페이서층(312)으로 인한)은 또한 자기 접합(310)의 읽기 및 기록을 용이하게 한다. SAF 기준층(313) 및/또는 자유층(311)의 면 내 모멘트에 대한 더 낮은 자기 이방성으로 인해 더 상쇄된 이동 자계(shift field)는 더 적은 기록 전류가 자기 접합(310) 및 메모리(300/120)의 프로그래밍에 사용되도록 한다. 또한, 자기 접합(310)은 SO 라인(302)으로부터의 SO 토크로 인한 열적 변동들의 부존재 내에서 자유층(311)에 대한 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가진다. 이는 자기 접합(310)이 자기 메모리(120)의 작동 온도(들)에서 빠르게 프로그램되도록 한다. 따라서, 자기 메모리(300/120)는 양자 컴퓨팅 장치(100)의 사용에 적합할 수 있다.
도 15는 저온에서 0이 아닌 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 메모리(300)에 대한 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 도 15는 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 메모리(300)는 자기 메모리(300)와 유사하다. 따라서, 비슷한 구성 요소들은 상응하는 도면 부호들을 갖는다. 그러므로 자기 메모리(300)는 자기 접합(310) 및 라인(302)과 각각 유사한 자기 접합(310) 및 라인(302)을 포함한다. 또한 분극자(320)가 도시되어 있다. 자기 접합(310)은 도 2에 도시된 자기 메모리(130)에 사용될 수 있다. 따라서, 자기 접합(310)은 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)의 저장 셀(124/124)에서 사용하기 위한 것이다. 자기 접합(310)은 양자 처리장치(110)와 관련되어 사용될 수 있고, 저온 환경(102)에서의 낮은 온도(들)에서 존재하고 작동할 수 있다. 나아가, 자기 접합(310)은 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있다. 자기 접합(310)은 또한 자유층이 열적 변동들의 부존재 내에서 0이 아닌 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성된다. 몇몇 실시예들에서, 자기 접합(310)은 또한 자유층에서 이동 자계가 실질적으로 상쇄되도록 구성된다.
자기 접합(310)은 기준층(313), 비자성 스페이서층(312) 및 자유층(311)과 각각 유사한 선택적 확장 기준층(313), 비자성 스페이서층(312) 및 자유층(311)을 포함하는 확장된 스핀 전달 접합이다. 추가적 층들이 도시되지 않았지만, 자기 접합(310)은 다른 실시예들에서 이중 자기 접합일 수 있다. 기준층(313)은 선택적으로 확장된 기준층일 수 있다. 이 경우, 확장된 기준층(313)의 측벽들은 자유층(311)의 측벽들보다 층들의 평면 내에서 적어도 한 방향으로 더 멀리 확장된다. 도시된 상기 실시예에서, 확장된 기준층(313)의 측벽들은 자기 접합(310)의 나머지 부분의 측벽들보다 더 멀리 확장된다.
자유층(311)은 도 14에 도시된 자유층과 유사하고, 면 내(in-plane)에 있는 자기 모멘트(318)를 가진다. 자유층(311)의 안정 상태들에서, 자기 모멘트는 자유층(311)의 자화 용이축(318)을 따라 놓인다. 큰 자기저항이 요구되기 때문에, 자유층(311)은 호이슬러 합금(들) 및/또는 반 금속들을 포함할 수 있다. 확장된 기준층(313)의 자기 모멘트는 또한 면 내(in-plane)에 있다. 기준층(313)이 자기 접합(310)의 나머지를 넘어 확장되기 때문에, 기준층(313)에 의한 이동 자계(shift field)는 자유층(311)에서 실질적으로 상쇄될 수 있다. 따라서 자유층(311)의 자기 이방성은 상대적으로 작을 수 있다. 결과적으로, 기록 전류는 감소할 수 있다. 하지만, 자기 접합은 여전히 자유층(311)의 안정한 상태들을 만드는 형상 이방성 및/또는 충분한 다른 자기 이방성을 가질 수 있다는 것을 유의한다.
자유층(311)의 자기 모멘트(318)는 스핀 전달 토크 및/또는 분극자(320)에 의한 SO 토크를 이용하여 스위치 될 수 있다. 도 15에서 볼 수 있는 것처럼, 전류밀도 JSO에 대응하는 면 내(in-plane) 전류는 라인(302)을 통해 흐른다. JSO에 대응되는 전류는 라인(302)을 통해 면 내를 흐르기 때문에 SO 전류로 여겨질 수 있다. 라인(302)은 저온 환경(102)에서 긴 스핀 확산 길이를 가지는 높은 전도성 라인일 수 있다. 예를 들어, Cu 또는 다른 유사한 고전도성 물질이 사용될 수 있다. 긴 스핀 확산 길이는 분극자(320)에 의해 제공되는 분극이 적어도 자기 접합(310)에서 보존되도록 한다. 하지만, 더 짧은 스핀 확산 길이를 가지는 물질(들) 또한 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 라인(302)은 위에서 메모리(300)에 대해 설명한 바와 같이 SO 물질을 포함하거나, SO으로 구성될 수 있다.
자기 메모리(300)는 또한 자유층(311)이 열적 변동들의 부존재 내에서도(말하자면, 저온 환경(102)의 온도(들)에서) 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크(및/또는 SO 토크)를 가질 수 있도록 구성될 수 있다. 자기 접합(310)을 프로그램하기 위하여, 전류는 분극자(320) 및 라인(302)을 통하여 흐른다. 이 전류는 자유층(311)의 자화 용이축(318)에 수직하게 분극된다. 몇몇 실시예들에서, 이 전류는 라인(302)을 통해 흐르지만, 자기 접합(310)을 통하여 흐르진 않는다. 다른 실시예들에서, JSO에 대응하는 전류는 자기 접합(310)을 통하여 흐를 수 있다. 따라서, 전류의 경로는 자기 접합(310) 주위에서 두 개의 다른 점선의 화살표로 도시된다. 구조 및 재료 상수들에 의존하여, 이들 전류 경로들 중의 하나는 기준층(313)의 근처에서 강화된 SO-유도 스핀 축적에 해당할 것이다. 기준층(313) 근처에서의 스핀 분극 전류 운반자들의 축적은 기준층(313)에 토크를 가할 수 있을 것이다. 전류 운반자들의 분극이 분극자(320)에 의해 제공되고, 따라서 면에 수직하기 때문에, 이러한 토크는 0이 아니다. 이러한 토크로 인해, 기준층(313)의 자기 모멘트는 평형 상태에서 빠르게 기울어질 수 있다. 따라서 자유층(311) 상의 기준층(313)에 의한 누설 장(stray field)은 빠르게 변할 것이고, 이는 평형 위치로부터 기준층(313)의 기울기에 반대 방향으로 자유층(311)의 편향이 일어나는 것이다. 스위칭을 완료하기 위하여, CPP 방향을 향하는 전류 밀도 JSTT에 의해 일반적인 스핀 전달이 이루어진다. 자유층이 평형 위치로부터 편향되기 때문에, 자유층에 작용하는 토크는 열적 변동들의 부존재 내에서도 0이 아닐 것이다. 따라서, 자기 접합(310) 및 자기 메모리(300)는 자기 접합(310)이 열적 변동들의 부존재 내에서 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크로 스위치될 수 있도록 구성된다.
양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)에서의 자기 메모리(300)의 사용은 저온 환경에서 자기적으로 데이터 저장을 할 수 있도록 하고, 양자 컴퓨팅 장치(100)의 장점들을 얻을 수 있도록 한다. 예를 들어, 자유층에 사용된 물질(들)에 부분적으로 기인한 자기 접합(310)의 더 큰 거대 자기저항은, 자기 메모리(120)의 읽기를 용이하게할 수 있다. 저온 환경(102)에서의 더 낮은 저항(예를 들어 금속 비자성 스페이서층(312)으로 인한)은 또한 자기 접합(310)의 읽기 및 기록을 용이하게 한다. 확장된 기준층(313) 및 자유층(311)의 면 내(in-plane) 모멘트에 대한 더 낮은 자기 이방성으로 인한 더 많이 상쇄된 이동 자계는 더 적은 기록 전류가 자기 접합(310) 및 메모리(120/300)의 프로그래밍에 사용되도록 한다. 또한, 열적 변동들의 부존재 내(작동 중 저온 환경(102)의 온도(들)에 노출되는 동안)에서 자유층(311)에 대한 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크는 자기 접합(310)이 자기 메모리(120)의 작동 온도(들)에서 빠르게 프로그램되도록 한다. 따라서, 자기 메모리(300/120)은 양자 컴퓨팅 장치(100)의 사용에 적합할 수 있다.
도 16은 저온에서 0이 아닌 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 메모리(300)에 대한 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 도 16은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 메모리(300)는 자기 메모리(300 및/또는 300)와 유사하다. 따라서, 비슷한 구성 요소들은 상응하는 도면 부호들을 갖는다. 그러므로 자기 메모리(300)는 자기 접합(310/310), 라인(302/302) 및 분극자(320)와 각각 유사한 자기 접합(310), 및 라인(302) 및 분극자(320)를 포함한다. 자기 접합(310)은 도 2에 도시된 자기 메모리(130)에 사용될 수 있다. 자기 접합(310)은 양자 처리장치(110)와 관련되어 사용될 수 있고, 저온 환경(102)에서의 낮은 온도(들)에서 존재하고 작동할 수 있다. 나아가, 자기 접합(310)은 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있다. 자기 접합(310)은 또한 자유층이 열적 변동들의 부존재 내에서 0이 아닌 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성된다. 몇몇 실시예들에서, 자기 접합(310)은 또한 자유층에서 이동 자계가 실질적으로 상쇄되도록 구성된다.
자기 메모리(300)는 자기 메모리(300)와 유사한 방법으로 작동한다. 자유층(311)은 도 14에 도시된 자유층과 유사하고, 면 내(in-plane)에 있는 자기 모멘트(318)를 가진다. 자유층(311)의 안정 상태들에서, 자기 모멘트는 자유층(311)의 자화 용이축(318)을 따라 놓인다. 큰 자기저항이 요구되기 때문에, 자유층(311)은 호이슬러 합금(들) 및/또는 반 금속들을 포함할 수 있다. 다만 자유층(311)은 라인(302)과 기준층(313) 사이에 있다. 또한, 기준층(313)은 비자성층(315)에 의해 분리된 강자성층들(314및 316)을 포함하는 SAF이다. 따라서, 층(313)은 기준층(313)보다 기준층(313)과 더 유사하다. 다만, 기준층(313)은 SAF이기 때문에, 기준층(313)에 의한 이동 자계는 여전히 자유층(311)에서 실질적으로 상쇄된다. 따라서 자유층(311)의 자기 이방성은 상대적으로 작을 수 있다. 결과적으로, 기록 전류는 감소할 수 있다. 하지만, 자기 접합은 여전히 자유층(311)의 안정한 상태들을 만드는 형상 이방성 및/또는 충분한 다른 자기 이방성을 가질 수 있다는 것을 유의한다.
자유층(311)은 JSO에 대응하는 전류에 의한 스핀 토크와 전류 밀도 JSTT에 대응하는 전류에 의한 스핀 전달의 조합을 이용하여 스위치 될 수 있다. 또한, JSO에 대응하는 전류는 자기 접합(310)을 통하여 흐를 수 있거나 자기 접합(310)을 우회할 수 있다. 메모리(300)에 대한 위에서 설명한 것들과 유사한 이유들로, 스핀 분극 전류 운반자들은 자유층(311) 근처에 축적될 수 있고, 자유층(311) 상에 토크를 가할 수 있다. 전류 운반자들의 분극이 분극자(320)에 의해 제공되고 면에 수직하기 때문에 이러한 토크는 0이 아니다. 이러한 토크로 인해, 자유층(311)의 자기 모멘트는 평형상태로부터 교란될 수 있다. 자유층(311)의 스위칭은 스핀 전달을 통해 완료될 수 있다. 따라서, 자기 메모리(300)는 또한 자유층(311)이 열적 변동들의 부존재 내에서도(말하자면, 저온 환경(102)의 온도(들)에서) 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가질 수 있도록 구성된다.
자기 메모리(300)는 위에서 자기 메모리(300)에 대해 설명한 것들과 유사한 장점들을 가질 수 있다. 특히, 자기 메모리(300)는 원하는 범위의 읽기 신호가 있는 저온 환경에서 자기적으로 빠르게 데이터를 저장하도록 하고, 양자 컴퓨팅 장치(100)의 장점들을 얻도록할 수 있다. 따라서, 자기 메모리(300/120)는 양자 컴퓨팅 장치(100)의 사용에 적합할 수 있다.
도 17은 저온에서 0이 아닌 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 메모리(300)에 대한 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 도 17은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 메모리(300)는 자기 메모리(300, 300및/또는 300)와 유사하다. 다만, 자기 메모리(300)는 메모리(300)와 가장 유사하다. 따라서, 비슷한 구성 요소들은 상응하는 도면 부호들을 갖는다. 그러므로 자기 메모리(300)는 자기 접합(310/310/310), 라인(302/302) 및 분극자(320)와 각각 유사한 자기 접합(310), 및 라인(302) 및 분극자(320)를 포함한다. 자기 접합(310)은 도 2에 도시된 자기 메모리(130)에 사용될 수 있다. 자기 접합(310)은 양자 처리장치(110)와 관련되어 사용될 수 있고, 저온 환경(102)에서의 낮은 온도(들)에서 존재하고 작동할 수 있다. 나아가, 자기 접합(310)은 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있다. 자기 접합(310)은 또한 자유층이 열적 변동들의 부존재 내에서 0이 아닌 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성된다. 몇몇 실시예들에서, 자기 접합(310)은 또한 자유층에서 이동 자계가 실질적으로 상쇄되도록 구성된다.
자기 메모리(300)는 자기 메모리(300/300)와 유사한 방법으로 작동한다. 자유층(311)은 자유층(311, 311및 311)과 유사하고, 면 내(in-plane)에 있는 자기 모멘트(318)를 가진다. 자유층(311)의 안정 상태들에서, 자기 모멘트는 자유층(311)의 자화 용이축(318)을 따라 놓인다. 큰 자기저항이 요구되기 때문에, 자유층(311)은 호이슬러 합금(들) 및/또는 반 금속들을 포함할 수 있다. 또한, 기준층(313)은 기준층(313)과 유사한 선택적으로 확장된 기준층일 수 있다. 기준층(313)이 확장된 기준층이기 때문에, 기준층(313)에 의한 자유층(311)에서의 이동 자계는 더 잘 제어될 수 있다. 다만, 작은 이동 자계는 자유층의 자기 모멘트(318)를 기울이는 것을 돕도록 요구될 수 있다. 따라서 자유층(311)의 자기 이방성은 상대적으로 작을 수 있다. 결과적으로, 기록 전류는 감소할 수 있다. 하지만, 자기 접합은 여전히 자유층(311)의 안정한 상태들을 만드는 형상 이방성 및/또는 충분한 다른 자기 이방성을 가질 수 있다는 것을 유의한다.
위에서 메모리들(300및 300)에 대해 설명한 바와 같이, 자유층(311)은 JSO에 대응하는 전류에 의한 스핀 토크와 전류 밀도 JSTT에 대응하는 전류에 의한 스핀 전달의 조합을 이용하여 스위치될 수 있다. 또한, JSO에 대응하는 전류는 자기 접합(310)을 통하여 흐를 수 있거나 자기 접합(310)을 우회할 수 있다. 메모리(300및 300)에 대한 상기 설명들과 유사한 이유들로, 자기 메모리(300)는 자유층(311)이 열적 변동들의 부존재 내(저온 환경(102)의 온도(들)에서)에서도 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가지도록 구성된다.
또한, 도 17에서 볼 수 있듯이, 라인(302)은 분극자(320)가 프로그램되는 자기 접합(310)으로부터 더 멀리 위치할 수 있는 충분히 긴 스핀 확산 길이를 가진다. 따라서, 하나의 분극자(320)는 여러 자기 접합들(310)에 제공될 수 있다. 다만, 선택된, 예를 들어 그것들을 통해 흐르는 JSTT에 대응하는 전류를 가지는 것에 의해, 자기 접합들(310)만이 기록된다.
자기 메모리(300)는 위에서 자기 메모리(300, 300및/또는 300)에 대해 설명한 것들과 유사한 장점들을 가질 수 있다. 특히, 자기 메모리(300)는 원하는 범위의 읽기 신호가 있는 저온 환경에서 자기적으로 빠르게 데이터를 저장하도록 하고, 양자 컴퓨팅 장치(100)의 장점들을 얻도록할 수 있다. 따라서, 자기 메모리(300/120)는 양자 컴퓨팅 장치(100)의 사용에 적합할 수 있다.
도 18은 저온에서 0이 아닌 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 메모리(300)에 대한 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 도 18은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 메모리(300)는 자기 메모리(300, 300, 300및/또는 300)와 유사하다. 다만, 자기 메모리(300)는 메모리(300)와 가장 유사하다. 따라서, 비슷한 구성 요소들은 상응하는 도면 부호들을 갖는다. 그러므로 자기 메모리(300)는 자기 접합(310/310/310/310), 라인(302/302) 및 분극자(320)와 각각 유사한 자기 접합(310), 및 라인(302) 및 분극자(320)를 포함한다. 자기 접합(310)은 도 2에 도시된 자기 메모리(130)에 사용될 수 있다. 자기 접합(310)은 양자 처리장치(110)와 관련되어 사용될 수 있고, 저온 환경(102)에서의 낮은 온도(들)에서 존재하고 작동할 수 있다. 나아가, 자기 접합(310)은 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있다. 자기 접합(310)은 또한 자유층이 열적 변동들의 부존재 내에서 0이 아닌 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성된다. 몇몇 실시예들에서, 자기 접합(310)은 또한 자유층에서 이동 자계가 실질적으로 상쇄되도록 구성된다.
자기 메모리(300)는 자기 메모리(300/300/300)와 유사한 방법으로 작동한다. 자유층(311)은 자유층(311, 311, 311및 311)과 유사하고, 면 내(in-plane)에 있는 자기 모멘트(318)를 가진다. 자유층(311)의 안정 상태들에서, 자기 모멘트는 자유층(311)의 자화 용이축(318)을 따라 놓인다. 큰 자기저항이 요구되기 때문에, 자유층(311)은 호이슬러 합금(들) 및/또는 반 금속들을 포함할 수 있다. 또한, 기준층(313)은 강자성층들(314및 316)을 포함하는 SAF이다. 기준층(313)은 SAF이기 때문에, 기준층(313)에 의한 이동 자계는 여전히 자유층(311)에서 실질적으로 상쇄된다. 따라서 자유층(311)의 자기 이방성은 상대적으로 작을 수 있다. 결과적으로, 기록 전류는 감소할 수 있다. 하지만, 자기 접합은 여전히 자유층(311)의 안정한 상태들을 만드는 형상 이방성 및/또는 충분한 다른 자기 이방성을 가질 수 있다는 것을 유의한다.
위에서 메모리들(300및 300및 300)에 대해 설명한 바와 같이, 자유층(311)은 JSO에 대응하는 전류에 의한 스핀 토크와 전류 밀도 JSTT에 대응하는 전류에 의한 스핀 전달의 조합을 이용하여 스위치될 수 있다. 또한, JSO에 대응하는 전류는 자기 접합(310)을 통하여 흐를 수 있거나 자기 접합(310)을 우회할 수 있다. 메모리(300, 300및 300)에 대해 위에서 설명한 것들과 유사한 이유들로, 자기 메모리(300)는 자유층(311)이 열적 변동들의 부존재 내에서도(저온 환경(102)의 온도(들)에서) 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가지도록 구성된다.
또한, 도 18에서 볼 수 있듯이, 라인(302)은 분극자(320)가 프로그램되는 자기 접합(310)으로부터 더 멀리 위치할 수 있는 충분히 긴 스핀 확산 길이를 가진다. 따라서, 하나의 분극자(320)는 여러 자기 접합들(310)에 제공될 수 있다. 다만, 선택된, 예를 들어 그것들을 통해 흐르는 JSTT에 대응하는 전류를 가지는 것에 의해, 자기 접합들(310)만이 기록된다.
자기 메모리(300)는 위에서 자기 메모리(300, 300, 300및/또는 300)에 대해 설명한 것들과 유사한 장점들을 가질 수 있다. 특히, 자기 메모리(300)는 원하는 범위의 읽기 신호가 있는 저온 환경에서 자기적으로 빠르게 데이터를 저장하도록 하고, 양자 컴퓨팅 장치(100)의 장점들을 얻도록할 수 있다. 따라서, 자기 메모리(300/120)는 양자 컴퓨팅 장치(100)의 사용에 적합할 수 있다.
자기 접합들(300, 300, 300, 300및 300)은 자기 모멘트의 특정 방향들의 맥락에서 도시된다. 다만, 다른 방향들도 가능하다. 예를 들어, SO 라인(302)은 면-내에서 그들의 분극을 가지는 것으로 도시된다. 하지만, 다른 실시예들에서, SO 라인(302)은 면에 수직하게 분극될 수 있다. 유사하게, 자유층들(311, 311, 311, 311및 311)은 면 내에서 안정한 자기 상태들을 가지는 것으로 도시된다. 다른 실시예들에서, 자유층들(311, 311, 311, 311및/또는 311)은 면에 수직한 자화 용이축을 가질 수 있거나, 자유층들(269 및/또는 269)과 유사한 혼합 층들일 수 있다. 그러한 실시예들에서, 기준층(313, 313, 313및/또는 313)은 또한 면에 수직하게 분극될 수 있다. 또한, 자기 메모리들(300, 300, 300)에서, 기준층(313, 313및 313)은 각각 자유층(310, 310및 310)의 자화 용이축에 평행한 방향을 향하는 그것들의 자기 모멘트를 가지는 것으로 도시되는 반면, SO 라인(302) 및 분극자들(320)은 자유층의 자화 용이축에 수직하게 분극된다. 다른 실시예들에서, 기준층들 및 SO 라인/분극자의 방향들은 스위치될 수 있다. 따라서, 기준층(313, 313및 313)은 각각 자유층(310, 310및 310)의 자화 용이축에 수직한 그것들의 자기 모멘트를 가질 수 있는 반면, SO 라인(302) 및 분극자들(320)은 자유층의 자화 용이축에 평행하게 분극된다. 그러한 실시예들에서, 기준층의 자기 모멘트는 정체점으로부터 초기 기울임을 제공하고, SO 펄스(pulse)는 스위칭을 완료한다. 다른 실시예들에서, 다른 구성들이 가능하다. 예를 들어, 모든 자유층들의 자화 용이축들, 기준층들 및 SO 라인 분극은 서로 평행, 면 내(in-plane), 및/또는 면에 수직일 수 있다. 그러한 실시예들에서, SO 라인(302) 및 기준층(313)에 의한 토크들은 셀을 스위칭하는 것에 대해 서로 상호 보완적이다. 따라서 스위칭 전류는 감소할 수 있다. 그러한 실시예에서 혼합 자유층은 특히 유용할 수 있다.
도 19는 저온에서 0이 아닌 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 메모리(350)의 한 부분에 대한 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 도 19는 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 메모리(350)는 도 2에 도시된 자기 메모리(130)에 사용될 수 있는 자기 접합(360)을 포함한다. 따라서, 자기 접합(360)은 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)의 저장 셀(124/124)에서 사용하기 위한 것이다. 자기 메모리(350)는 양자 처리장치(110)와 관련되어 사용될 수 있고, 저온 환경(102)에서의 낮은 온도(들)에서 존재하고 작동할 수 있다. 나아가, 자기 접합(360)은 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있다. 자기 접합(360)은 또한 자유층이 열적 변동들의 부존재 내에서 0이 아닌 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성된다. 다르게 말하면, 자기 접합(360)은 저온 환경(102)의 작동 온도들에서 기록 작동들을 위한 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가진다. 몇몇 실시예들에서, 자기 접합(360)은 또한 자유층에서 이동 자계가 실질적으로 상쇄되도록 구성된다.
자기 접합(360)은 전도성 라인(352)에 내장된 자유층(364) 및 기준층(362 및 366)을 포함한다. 또한 선택적 비자성 스페이서층(368) 및 선택적 기준층(370)이 도시되어 있다. 몇몇 실시예들에서, 선택적 비자성 스페이서층(368) 및 선택적 기준층(370)은 자기 접합(360)을 읽기 위해 사용된다. 대신, 자유층(364) 및 기준층(366)의 자기 모멘트들의 정렬 차이로 인한 자기저항은 자기 접합(360)을 읽기 위해 사용된다. 비자성 스페이서층(368)은 금속 또는 절연 장벽층일 수 있다. 선택적 고정층들(미도시)은 기준층들(362, 366 및 370) 중의 하나 또는 그 이상에서 사용될 수 있다. 자유층(364) 및 기준층들(362, 366 및 370)에서 사용된 물질(들)은 위에서 설명된 그것들과 유사할 수 있다. 자유층(364) 및 기준층들(362 및 366)이 전도성 라인(352)의 한 부분만을 차지하고 있는 것으로 도시되어 있지만, 몇몇 실시예들에서, 층들(362, 364 및 366)은 자성층들로부터 분류된 전류를 줄이거나 제거하기 위하여 라인의 대부분 또는 전부를 점유한다.
자유층(364)의 자기 모멘트는 면 내(in-plane)에 있다. 따라서 자유층(364)의 자기 이방성은 상대적으로 작을 수 있다. 결과적으로, 기록 전류는 감소할 수 있다. 하지만, 자기 접합은 여전히 자유층(364)의 안정한 상태들을 만드는 형상 이방성 및/또는 충분한 다른 자기 이방성을 가질 수 있다는 것을 유의한다. 예를 들어, x-y 평면에서 자기 접합(310)의 횡단면은 y축에 평행한 장축을 가지는 타원, 스타디움형상(stadium shape)(꼭지점들이 둥근 직사각형), 직사각형, 타원체, 반구, 또는 유사한 형상일 수 있다.
자유층은 라인(352)을 통해 흐르는 스핀 분극 전류를 이용하여 스위치된다. 상기 전류는 기준층들(362 및 366)에 의해 분극될 수 있다. 결과적으로, 자기 접합(360)은 자유층(364)이 열적 변동들의 부존재 내에서도(저온 환경(102)의 온도(들)에서) 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가지도록 구성된다. 자기 접합(360)을 프로그램하기 위하여, 기록 전류는 도시된 라인(352)의 면 내를 통하여 흐를 수 있다. 기준층(362)의 자기 모멘트는 자유층(364)의 자화 용이축에 수직하다. 라인(352)을 통과하는 전류 JSW는 적어도 부분적으로 자유층의 자화 용이축에 수직(도 19의 y 방향에 수직)하게 분극된 기준층(362)의 자기 모멘트에 의하여 스핀 분극될 수 있다. 이 분극된 스핀 전류는 열적 변동들의 부존재 내에서도 자유층(364)의 자기 모멘트를 빠르게 편향시키는 토크를 가한다. 따라서, 자유층(364)의 자기 모멘트는 열적 변동들의 부존재 내에서도 정체점으로부터 편향된다. 전류는 또한 기준층(366)의 자기 모멘트에 의해 분극될 수 있다. 전류가 자화 용이축 방향(+y 방향 또는 -y 방향)으로 스핀 분극 되기 때문에, 그러한 스핀 분극 전류는 자유층의 스위칭을 완료시킬 수 있다. 따라서, 자유층(364)이 열적 변동들의 부존재 내에서도(예를 들어, 저온 환경(102)의 온도(들)에서) 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가지도록 자유층(364)은 라인(352)을 통해 흐르는 스핀 분극 전류를 이용하여 스위칭 될 수 있다.
양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)에서의 자기 메모리(350)의 사용은 저온 환경에서 자기적으로 데이터 저장을 할 수 있도록 하고, 양자 컴퓨팅 장치(100)의 장점들을 얻을 수 있도록 한다. 예를 들어, 자유층에 사용된 물질(들)에 부분적으로 기인한 자기 접합(360)의 더 큰 거대 자기저항은, 자기 메모리(120)의 읽기를 용이하게할 수 있다. 저온 환경(102)에서의 더 낮은 저항(예를 들어 금속 비자성 스페이서층(368)로 인한)은 또한 자기 접합(360)의 읽기 및 기록을 용이하게 한다. 자유층(364)의 면 내(in-plane) 모멘트에 대한 더 낮은 자기 이방성은 자기 접합(360) 및 메모리(350/120)의 프로그래밍에 더 낮은 기록 전류를 사용할 수 있도록 한다. 또한, 자기 접합(360)은 라인(352)을 흐르는 스핀 분극 전류로 인해 열적 변동들의 부존재 내에서 자유층(364)에 대한 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가진다. 이는 자기 접합(360)이 자기 메모리(120)의 작동 온도(들)에서 빠르게 프로그램 되도록 한다. 따라서, 자기 메모리(350/120)는 양자 컴퓨팅 장치(100)의 사용에 적합할 수 있다.
도 20은 저온에서 0이 아닌 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 메모리(350)의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 도 20은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 메모리(350)는 자기 메모리(350)와 유사하다. 따라서, 비슷한 구성 요소들은 상응하는 도면 부호를 갖는다. 따라서 자기 메모리(350)는 라인(352) 및 기준층(362 및 366), 자유층(364), 선택적 스페이서층(368) 및 선택적 기준층(370)을 가지는 자기 접합(360)과 각각 유사한 기준층들(362및 366), 자유층(366), 선택적 스페이서층(368) 및 선택적 기준층(370)을 가지는 전도성 라인(352) 및 자기 접합(360)을 포함한다. 자기 접합(360)은 도 2에 도시된 자기 메모리(130)에 사용될 수 있다. 따라서, 자기 접합(360)은 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)의 저장 셀(124/124)에서 사용하기 위한 것이다. 자기 접합(360)은 양자 처리장치(110)와 관련되어 사용될 수 있고, 저온 환경(102)에서의 낮은 온도(들)에서 존재하고 작동할 수 있다. 나아가, 자기 접합(360)은 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있다. 자기 접합(360)은 또한 자유층이 열적 변동들의 부존재 내에서 0이 아닌 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성된다. 몇몇 실시예들에서, 자기 접합(360)은 또한 자유층(364)에서 이동 자계가 실질적으로 상쇄 되고/되거나 자유층(364)이 낮은 자기 이방성을 갖도록 구성된다.
도 20에서 볼 수 있듯이, 자유층(364)은 면에 수직한(z 축을 따르는) 자화 용이축을 가진다. 기준층(362)의 자기 모멘트는 여전히 자유층의 자화 용이축에 수직하고, 자유층 자기 모멘트를 안정 상태에서 편향 시키기 위한 기록 전류를 분극시키는 것에 사용될 수 있다. 기준층(366)은 자유층의 자화 용이축을 따르는 자기 모멘트를 가지고, 따라서 면에 수직하다. 자기 접합(360)은 자기 접합(360)과 유사한 방식으로 기능한다. 따라서, 자기 접합(360) 및 자기 메모리(350)는 양자 컴퓨팅 장치의 사용에 적합할 수 있다.
도 21은 저온에서 0이 아닌 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 메모리(350)의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 도 21은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 메모리(350)는 자기 메모리(350/350)와 유사하다. 따라서, 비슷한 구성 요소들은 상응하는 도면 부호를 갖는다. 따라서 자기 메모리(350)는 라인(352) 및 기준층(362/362및 366/366), 자유층(364/364), 선택적 스페이서층(368) 및 선택적 기준층(370)을 가지는 자기 접합(360/360)과 각각 유사한 전도성 라인(352) 및 기준층들(362및 366), 자유층(366), 선택적 스페이서층(368) 및 선택적 기준층(370)을 가지는 자기 접합(360)을 포함한다. 자기 접합(360)은 도 2에 도시된 자기 메모리(130)에 사용될 수 있다. 따라서, 자기 접합(360)은 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)의 저장 셀(124/124)에서 사용하기 위한 것이다. 자기 접합(360)은 양자 처리장치(110)와 관련되어 사용될 수 있고, 저온 환경(102)에서의 낮은 온도(들)에서 존재하고 작동할 수 있다. 나아가, 자기 접합(360)은 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있다. 자기 접합(360)은 또한 자유층이 열적 변동들의 부존재 내에서 0이 아닌 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성된다. 몇몇 실시예들에서, 자기 접합(360)은 또한 자유층(364)에서 이동 자계가 실질적으로 상쇄 되고/되거나 자유층(364)이 낮은 자기 이방성을 갖도록 구성된다.
도 21에서 볼 수 있는 바와 같이, 자유층(364)은 면 내(in-plane)에 있는 자화 용이축을 가진다. 따라서, 자유층(364)은 자유층(364)과 더 유사하다. 다만, 자유층의 자화 용이축의 방향은 도시된 실시예에서 x축을 따라 발생한다. 기준층(362)의 자기 모멘트는 여전히 자유층의 자화 용이축에 수직하고, 자유층 자기 모멘트를 안정 상태에서 편향시키는 기록 전류의 분극에 사용될 수 있다. 다만, 기준층(362)의 자기 모멘트는 도시된 실시예에서 면 내에 있다. 기준층(366)은 자유층의 자화 용이축을 따른 자기 모멘트를 가지고, 따라서 면에 수직하다. 자기 접합(360)은 자기 접합(360/360)과 유사한 방식으로 기능한다. 따라서, 자기 접합(360) 및 자기 메모리(350)는 양자 컴퓨팅 장치의 사용에 적합할 수 있다. 층들(362, 362, 362, 364, 364, 364, 366, 366및 366)의 자기 모멘트들의 특정한 방향이 x, y 및 z축들과 관련하여 도시되어 있지만, 층들(362 364 및 366; 362, 364및 366; 및 362, 364및 366)의 상대적 모멘트들이 자기 메모리들(350, 350및 350)의 작동에서 더 중요함을 유의한다. 또한, 자기 접합들(360, 360및 360) 내 층들의 자기 모멘트들이 완전히 정렬되거나 완전히 직교하는 것으로 도시되어 있음을 유의한다. 다만, 몇몇 실시예들에서, 자기 모멘트들의 단 하나의 구성요소들만이 정렬 및/또는 직교할 수 있다. 나아가, 몇몇 실시예들에서, 자유층들(364, 364및 364)은 자유층들(269, 269, 및/또는 269)과 같은 혼합 자유층들을 포함할 수 있다. 자기 접합(360, 360및/또는 360)에서, 혼합 자유층은 또한 z축 방향에서 같은 높이인 두 가지 성분들(같은 X, Y 좌표들이 아닌 동일한 적층 높이에 위치하는 두 성분)을 포함할 수 있다. 자유층의 딱딱하고 부드러운 구성요소들은 또한 다른 위치들을 가질 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 딱딱하고 부드러운 구성요소들은 딱딱한 코어(core)와 부드러운 셀(shell)로 코어-셀(core-shell)입자를 만들 수 있다. 유사하게, 자기 접합들(360)은 자기 접합들(250 및 250)과 유사할 수 있다.
도 22는 저온에서 0이 아닌 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 메모리(380)의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 도 22는 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 메모리(380)는 메모리(350)와 유사하다. 다만 여러 자기 접합들을 포함한다. 자기 메모리(380)는 전도성 라인(352) 및 자기 접합(360)과 유사한 전도성 라인(382) 및 자기 접합들(390-1, 390-2 및 390-3)을 포함한다. 자기 접합(390-1, 390-2 및 390-3)은 도 2에 도시된 자기 메모리(130)에 사용될 수 있다. 따라서, 자기 접합(390-1, 390-2 및 390-3)은 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)의 저장 셀(124/124)에서 사용하기 위한 것이다. 자기 접합(380)은 양자 처리장치(110)와 관련되어 사용될 수 있고, 저온 환경(102)에서의 낮은 온도(들)에서 존재하고 작동할 수 있다. 나아가, 자기 접합(390-1, 390-2 및 390-3)은 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있다. 자기 접합들(390-1, 390-2 및 390-3)은 또한 자유층이 열적 변동들의 부존재 내에서 0이 아닌 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성된다. 다르게 말하면, 자기 접합(390-1, 390-2 및 390-3)은 저온 환경(102)의 작동 온도들에서 기록 작동들을 위한 0이 아닌 초기 스핀 전달 토크를 가진다. 몇몇 실시예들에서, 자기 접합(390-1, 390-2 및 390-3)은 또한 자유층에서 이동 자계가 실질적으로 상쇄되도록 구성된다. 자기 접합(360)과 유사한 것과 같이 도시되어 있지만, 자기 접합들(390-1, 390-2 및 390-3)은 자기 접합들(360및/또는 360)에 유사할 수 있다. 또한, 명료성을 위해, 층들(368 및 370)과 같은 어떠한 선택적 비자성 스페이서층(들) 및 기준층(들)도 도시되지 않았다.
자기 접합들(390-1, 390-2 및 390-3)은 기준층들을 공유한다. 따라서 자기 접합들(390-1, 390-2 및 390-3) 각각은 자유층(394) 뿐만 아니라 기준층들(392 및 396)을 포함한다. 기준층(396)은 자기 접합들(390-1 및 390-2) 사이에 공유된다. 유사하게, 기준층(392)은 자기 접합들(390-2 및 390-3) 사이에 공유된다. 또한 선택 소자들(385, 386, 387 및 388)이 도시된다. 선택 소자들(385, 386, 387 및 388)은, 예를 들어, 트랜지스터들일 수 있다. 트랜지스터들(385 및 386)은 자기 접합(390-1)을 통하는 기록 전류의 제어에 사용된다. 트랜지스터들(386 및 387)은 자기 접합(390-2)을 통하는 기록 전류의 제어에 사용된다. 트랜지스터들(387 및 388)은 자기 접합(390-3)을 통하는 기록 전류의 제어에 사용된다.
자기 메모리(380)는 자기 메모리(350, 350및/또는 350)와 유사한 방법으로 작동한다. 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)에서의 자기 메모리(380)의 사용은 저온 환경에서 자기적으로 데이터 저장을 할 수 있도록 하고, 양자 컴퓨팅 장치(100)의 장점들을 얻을 수 있도록 한다. 따라서, 자기 메모리(380)는 양자 컴퓨팅 장치(100)의 사용에 적합할 수 있다.
도 23은 저온에서 0이 아닌 스핀 전달 토크를 갖는 자유층을 가지는 자기 메모리(380)의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 도 23은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 실제 크기의 비율이 아니다. 자기 메모리(380)는 메모리(380)와 유사하다. 따라서, 비슷한 구성 요소들은 상응하는 도면 부호를 갖는다. 그러므로 자기 메모리(380)는 전도성 라인(382) 및 자기 접합(390-1, 390-2 및 390-3)과 각각 유사한 전도성 라인(382) 및 자기 접합들(390-1, 390-2및 390-3)을 포함한다. 또한, 각각의 자기 접합들(390-1, 390-2및 390-3)은 두가지 추가적인 기준층들(397 및 398)을 포함한다. 기준층들(397)은 자유층의 자화 용이축에 수직한 방향인 자기 모멘트들을 가진 기준층들(392)과 유사하다. 기준층들(398)은 자유층의 자화 용이축 방향인 자기 모멘트들을 가진 기준층들(396)과 유사하다. 위에서 자기 접합들(360, 360, 및 360)과 관련하여 설명한 바와 같이, 자유층들(394)은 자기 접합(250, 250, 265, 265, 및/또는 265) 내의 구조들과 유사한 또 다른 구조를 가질 수 있다.
자기 메모리(380)는 자기 메모리들(350, 350, 350및/또는 380)과 유사한 방식으로 기능하지만, 자기 메모리(380)는 여러 기록 전류들에 의해 프로그램 될 수 있다. 예를 들어, 자기 접합(390-1)은 전도성 라인(382) 및 제1 컨택(contact)(383-1)을 통하여 흐르는 기록 전류들에 의해 프로그램될 수 있다. 자기 접합(390-2)은 전도성 라인(382) 및 제2 컨택(383-2)을 통하여 흐르는 기록 전류들에 의해 프로그램 될 수 있다. 자기 접합(390-3)은 전도성 라인(382) 및 제3 컨택(383-3)을 통하여 흐르는 기록 전류들에 의해 프로그램될 수 있다.
자기 메모리(380)는 자기 메모리(380, 350, 350및/또는 350)와 유사한 방법으로 작동한다. 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120)에서의 자기 메모리(380)의 사용은 저온 환경에서 자기적으로 데이터 저장을 할 수 있도록 하고, 양자 컴퓨팅 장치(100)의 장점들을 얻을 수 있도록 한다. 따라서, 자기 메모리(380)는 양자 컴퓨팅 장치(100)의 사용에 적합할 수 있다.
도 24는 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리 제조 방법 400의 예시적인 실시예를 도시한다. 단순화를 위해, 몇몇 단계들이 생략, 통합, 및/또는 삽입될 수 있다. 방법 400은 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리(120), 자기 저장 셀(124/124) 및 자기 접합(130)의 맥락에서 설명된다. 다만, 방법 800은 자기 메모리들(280, 280, 280, 300, 300, 300, 300, 300, 350, 350, 350, 380 및/또는 380) 및 자기 접합들(200, 200, 200, 250, 250, 265, 265, 265, 290, 290, 290, 310, 310, 310, 310, 310, 360, 360, 360, 390-1, 390-2, 390-3, 390-1, 390및/또는 390-3)을 포함하지만 제한되지 않는 다른 자기 메모리들의 제조에 사용될 수 있다.
양자 소자(들)(112) 및 양자 처리장치(110)는 단계 402를 통해 제공된다. 비트 라인들(122)은 단계 404를 통해 자기 저장 셀들(124/124)에 대해 제공된다.
자기 저장 셀(124/124)은 단계 406을 통해 제공된다. 단계 406은 저장 셀들(124/124) 각각에 대한 자기 접합(들)(130)을 제공하는 것을 포함한다. 단계 406에서 제공된 자기 접합(들)은 자유층(134)이 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치되도록 구성되고, 따라서 이러한 자유층(134)은 열적 변동들의 부존재 내에서 0이 아닌 초기 기록 스핀 토크를 가지게 된다. 몇몇 실시예들에서, 단계 406은 또한 자유층에서 이동 자계가 실질적으로 상쇄되는 피고정층(들)(132 및, 존재하는 곳에서, 136)을 제공하는 것을 포함한다. 그러면 자기 메모리(120)의 제조는 완료될 수 있다. 따라서, 방법 400을 사용하는 것에 대해, 자기 메모리들(120, 280, 280, 280, 300, 300, 300, 300, 300, 350, 350, 350, 380 및/또는 380) 및 자기 접합들(130, 200, 200, 200, 250, 250, 265, 265, 265, 290, 290, 290, 310, 310, 310, 310, 310, 360, 360, 360, 390-1, 390-2, 390-3, 390-1, 390및/또는 390-3) 중의 하나 또는 그 이상의 장점들이 달성될 수 있다.
따라서, 자기 메모리들(120, 280, 280, 280, 300, 300, 300, 300, 300, 350, 350, 350, 380 및/또는 380) 및 자기 접합들(130, 200, 200, 200, 250, 250, 265, 265, 265, 290, 290, 290, 310, 310, 310, 310, 310, 360, 360, 360, 390-1, 390-2, 390-3, 390-1, 390및/또는 390-3)이 형성될 수 있다. 그 결과, 양자 컴퓨팅 장치(100)의 이점들이 얻어질 수 있다.
양자 컴퓨팅 장치에서 사용되기 적합한 자기 메모리를 제공하는 방법 및 시스템이 설명되었다. 상기 방법 및 시스템은 도시된 예시적인 실시예들에 부합되게 설명되었고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 실시예들에 변형들이 있을 수 있고, 어떤 변형들이라도 방법 및 시스템의 사상 및 범위 내이어야 함을 쉽게 알 것이다. 그러한 이유로, 이하 첨부된 청구항들의 사상 및 범위를 벗어남 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변경들이 만들어 질 수 있다.

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 큐비트(qubit)에 해당하는 적어도 하나의 양자 소자를 포함하는 양자 처리장치가 결합된 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리에 있어서,
    상기 적어도 하나의 양자 소자에 결합되는 복수의 자기 저장 셀들; 및
    상기 복수의 자기 저장 셀들이 결합된 복수의 비트라인들을 포함하고,
    상기 복수의 자기 저장 셀들의 각각은 적어도 하나의 자기 접합을 포함하고, 상기 적어도 하나의 자기 접합은 기준층, 비자성 스페이서층, 및 자유층을 포함하고, 상기 비자성 스페이서층은 상기 기준층과 상기 자유층 사이에 배치되고, 상기 적어도 하나의 자기 접합은 상기 자유층이 복수의 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치 되도록 구성되고,
    상기 적어도 하나의 자기 접합은 10 K 이하의 저온 환경에서, 상기 자유층이 상기 자유층의 자화 용이축과 평행하지 않은 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성되는 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자기 접합의 각각은 이동 자계(shift magnetic field)가 상기 자유층에서 상쇄되도록 구성되는 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자기 접합은 확장된 직교 스핀 전달 접합, 공간적으로 변하는 자화 기준층(SVMRL) 이중 자기 접합, 및 혼합 자유층 자기 접합 중의 적어도 하나를 포함하고;
    상기 확장된 직교 스핀 전달 접합은 합성 반강자성 기준층인 상기 기준층, 상기 자유층, 상기 비자성 스페이서층, 추가적 비자성 스페이서층, 및 추가적 기준층을 포함하고, 상기 추가적 비자성 스페이서층은 상기 자유층과 상기 추가적 기준층 사이에 배치되고, 상기 추가적 기준층은 확장된 기준층이고, 상기 합성 반강자성 기준층은 합성 기준층의 자기 모멘트들을 갖고, 상기 확장된 기준층은 확장된 기준층의 자기 모멘트를 가지고, 상기 확장된 기준층의 측벽들은 상기 자유층의 자화 용이축에 평행한 방향으로 상기 자유층의 측벽들보다 더 멀리 확장되고, 상기 합성 기준층의 자기 모멘트들은 상기 확장된 기준층의 자기 모멘트가 상기 자유층의 자화 용이축에 수직한 경우 상기 자유층의 자화 용이축에 평행하고, 상기 확장된 기준층의 자기 모멘트는 상기 합성 기준층의 자기 모멘트들이 상기 자유층의 자화 용이축에 수직한 경우 상기 자유층의 자화 용이축에 평행하고;
    상기 SVMRL 이중 자기 접합은 상기 기준층, 상기 비자성 스페이서층, 상기 자유층의 자화 용이축을 가지는 상기 자유층, 상기 추가적 비자성 스페이서층 및 상기 추가적 기준층을 갖고, 상기 SVMRL 이중 자기 접합은 상기 기준층 및 상기 추가적 기준층 각각이 중심부는 상기 자유층의 자화 용이축에 평행하고 가장자리부는 상기 자유층의 자화 용이축에 수직하도록 공간적으로 변하는 자기 모멘트를 가지도록 구성되고;
    상기 혼합 자유층은 상기 기준층, 상기 비자성 스페이서층 및 상기 자유층을 포함하고, 상기 자유층은 상기 자유층의 자화 용이축이 면에 수직하는 혼합 자유층이고, 상기 기준층은 상기 자유층의 자화 용이축에 평행한 자기 모멘트를 가지고 상기 자유층의 자화 용이축에 수직한 방향으로 상기 자유층보다 더 확장되는 면에 수직하게 확장된 기준층이고, 상기 복수의 안정한 자기 상태들 각각은 자유층 자기 모멘트가 상기 자유층의 자화 용이축으로부터 0이 아닌 각도를 가지는 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자기 접합이 상기 혼합 자유층 자기 접합을 포함하는 경우, 상기 혼합 자유층은 자화용이-원뿔 이방성층 및 적어도 하나의 비자성 스페이서층이 삽입된 복수의 강자성층들 중의 적어도 하나를 포함하고, 상기 복수의 강자성 층들은 교환 결합되며, 상기 복수의 강자성층들 중의 제 1 강자성층은 면 내(in-plane) 자기 모멘트를 가지고, 상기 복수의 강자성층들 중의 제 2 강자성층은 면에 수직한 자기 모멘트를 가지는 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자기 접합은 상기 복수의 비트 라인들 중의 어느 하나의 비트 라인 및 상기 어느 하나의 비트 라인에 수직하는 추가적 라인으로 구성된 교차점 구조에 기반하여 선택되고,
    상기 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리는:
    상기 복수의 자기 저장 셀들과 결합되는 복수의 워드라인들을 더 포함하고, 상기 워드라인들은 상기 추가적 라인을 포함하고 상기 복수의 비트 라인들에 수직한 방향을 향하고,
    상기 복수의 워드 라인들 각각은 상기 워드 라인 및 적어도 하나의 SO 물질을 통해 스핀 분극 전류를 제공하는 적어도 하나의 분극 구성요소를 포함하고;
    상기 복수의 비트 라인들 각각은 적어도 하나의 추가적 SO 물질 및 상기 비트 라인을 통과하는 스핀 분극 전류를 제공하는 적어도 하나의 추가적 분극 구성 요소 중의 적어도 하나를 포함하고, 상기 스핀 분극 전류는 적어도 하나의 선택된 자기 저장 셀에서 상기 적어도 하나의 자기 접합의 상기 자유층 만을 스위칭할 수 있는 스핀 전류를 제공하고;
    상기 적어도 하나의 자기 접합 각각은 절연 장벽층을 포함하고; 그리고
    상기 자유층은 제 1 강자성 층 및 제 2 강자성층을 포함하고, 상기 비자성 스페이서층은 상기 기준층과 상기 제 1 강자성층 사이에 배치되고, 상기 절연 장벽층은 상기 제 2 강자성층과 상기 기준층 사이에 배치되는 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 자유층은 상기 스핀 분극 전류를 이용하여 스위치되고, 상기 복수의 비트 라인들 중의 적어도 하나는 상기 자기 접합에 인접한 적어도 하나의 SO 능동층을 포함하고, 상기 자기 메모리는 상기 복수의 비트 라인들에 인접한 복수의 분극자들을 포함하고, 상기 복수의 분극자들은 상기 자유층의 자화 용이축에 수직한 방향으로 분극된 스핀 분극 전류를 제공하는 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리.
  7. 적어도 하나의 큐비트(qubit)에 해당하는 적어도 하나의 양자 소자를 포함하는 양자 처리장치;
    상기 양자 처리장치와 결합된 복수의 자기 저장 셀들; 및
    상기 복수의 자기 저장 셀들에 결합되는 복수의 비트 라인들을 포함하고,
    상기 복수의 자기 저장 셀들 각각은 적어도 하나의 자기 접합을 포함하고, 상기 적어도 하나의 자기 접합은 기준층, 비자성 스페이서층, 및 자유층을 포함하고, 상기 비자성 스페이서층은 상기 기준층과 상기 자유층 사이에 위치하고, 상기 적어도 하나의 자기 접합은 상기 자유층이 복수의 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 자기 접합은 10 K 이하의 저온 환경에서, 상기 자유층이 상기 자유층의 자화 용이축과 평행하지 않은 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성되는 양자 컴퓨팅 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자기 접합은 확장된 직교 스핀 전달 접합, 공간적으로 변하는 자화 기준층(SVMRL) 이중 자기 접합, 및 혼합 자유층 자기 접합 중의 적어도 하나를 포함하고;
    상기 확장된 직교 스핀 전달 접합은 합성 반강자성 기준층인 상기 기준층, 상기 자유층, 상기 비자성 스페이서층, 추가적 비자성 스페이서층 및 추가적 기준층을 포함하고, 상기 추가적 비자성 스페이서층은 상기 자유층과 상기 추가적 기준층 사이에 위치하고, 상기 추가적 기준층은 확장된 기준층이고, 상기 합성 반강자성 기준층은 합성 기준층의 자기 모멘트들을 가지고, 상기 확장된 기준층은 확장된 기준층의 자기 모멘트를 가지고, 상기 확장된 기준층의 측벽들은 상기 자유층의 자화 용이축에 평행한 방향으로 상기 자유층의 측벽들보다 더 확장되고, 상기 합성 기준층의 자기 모멘트들은 상기 확장된 기준층의 자기 모멘트가 상기 자유층의 자화 용이축에 수직인 경우 상기 자유층의 자화 용이축에 평행하고, 상기 확장된 기준층의 자기 모멘트는 상기 합성 기준층의 자기 모멘트들이 상기 자유층의 자화 용이축에 수직인 경우 상기 자유층의 자화 용이축에 평행하고;
    상기 SVMRL 이중 자기 접합은 상기 기준층, 상기 비자성 스페이서층, 상기 자유층의 자화 용이축을 가지는 상기 자유층, 상기 추가적 비자성 스페이서층 및 상기 추가적 기준층을 포함하고, 상기 SVMRL 이중 자기 접합은 상기 기준층 및 상기 추가적 기준층 각각이 중심부는 상기 자유층의 자화 용이축에 평행하고 가장자리부는 상기 자유층의 자화 용이축에 수직한 공간적으로 변하는 자기 모멘트를 가지도록 구성되고;
    상기 혼합 자유층은 상기 기준층, 상기 비자성 스페이서층 및 상기 자유층을 포함하고, 상기 자유층은 상기 자유층의 자화 용이축이 면에 수직인 혼합 자유층이고, 상기 기준층은 상기 자유층의 자화 용이축에 평행한 자기 모멘트를 가지고 상기 자유층의 자화 용이축에 수직한 방향에서 상기 자유층보다 더 확장된 확장된 면 수직(perpendicular to plane) 기준층이며, 상기 복수의 안정한 자기 상태들의 각각은 자유층 자기 모멘트가 상기 자유층의 자화 용이축 주변에서 0이 아닌 각을 가지도록 구성되는 양자 컴퓨팅 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자기 접합은 상기 복수의 비트 라인들 중 어느 하나의 비트 라인 및 상기 어느 하나의 비트 라인에 수직한 추가적 라인으로 구성된 교차점 구조에 기반하여 선택되고,
    상기 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리는:
    상기 추가적 라인을 포함하고 복수의 비트 라인들에 수직한 방향을 향하며 상기 복수의 자기 저장 셀들과 결합되는 상기 복수의 워드 라인들을 더 포함하고, 상기 복수의 워드 라인들의 각각은 상기 워드 라인 및 적어도 하나의 SO 물질을 통해 흐르는 스핀 분극 전류를 제공하는 적어도 하나의 분극 구성요소를 포함하고;
    상기 복수의 비트 라인들의 각각은 적어도 하나의 추가적 SO 물질 및 상기 비트 라인을 통해 흐르는 스핀 분극 전류를 제공하는 적어도 하나의 추가적 분극 구성요소 중의 적어도 하나를 포함하고, 상기 스핀 분극 전류는 적어도 하나의 선택된 자기 저장 셀에서 상기 적어도 하나의 자기 접합의 상기 자유층 만을 스위칭할 수 있는 스핀 전류를 제공하고;
    각각의 상기 적어도 하나의 자기 접합은 절연 장벽층을 포함하고; 그리고
    상기 자유층은 제 1 강자성층 및 제 2 강자성층을 포함하고, 상기 비자성 스페이서층은 상기 기준층과 상기 제 1 강자성층 사이에 위치하고, 상기 절연 장벽층은 상기 제 2 강자성층과 상기 기준층 사이에 위치하는 양자 컴퓨팅 장치.
  10. 적어도 하나의 큐비트에 해당하는 적어도 하나의 양자 소자를 포함하는 양자 처리장치와 결합된 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리 제조 방법에 있어서,
    복수의 자기 저장 셀들을 제공하고; 그리고
    상기 복수의 자기 저장 셀들과 결합된 복수의 비트 라인들을 제공하는 것을 포함하고,
    상기 복수의 자기 저장 셀들의 각각은 적어도 하나의 자기 접합을 포함하고, 상기 적어도 하나의 자기 접합은 기준층, 비자성 스페이서층, 및 자유층을 포함하고, 상기 비자성 스페이서층은 상기 기준층과 상기 자유층 사이에 위치하고, 상기 적어도 하나의 자기 접합은 상기 자유층이 복수의 안정한 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 자기 접합은 10 K 이하의 저온 환경에서, 상기 자유층이 상기 자유층의 자화 용이축과 평행하지 않은 초기 기록 스핀 전달 토크를 가지도록 구성되는 양자 컴퓨팅 장치 자기 메모리 제조 방법.
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