Computersimulationen von seltenen Ereignissen in magnetischen Nanosystemen: Fehlerraten und Energiebarrieren in STT-MRAM Speicherzellen

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Dmitry Berkov
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389034432

Das Hauptziel des Projektes besteht in der theoretischen Untersuchung mittels Computersimulationen (mit experimenteller Unterstützung) von seltenen Ereignissen in physikalischen Systemen mit mehreren metastabilen Zuständen auf dem Beispiel der neuen aufstrebenden Generation des Computerspeichers: Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM) auf Basis der Spin-Transfer-Torque.Gemäß diesem Hauptziel verfolgt dieser Antrag folgende partielle Ziele:(1) Entwicklung des tiefen physikalischen Verständnisses der Schaltprozesse in STT-MRAM-Zellen (mit Hilfe von Computersimulationen und unterstützenden Experimenten), um typische Schaltszenarien zu identifizieren und die Schaltströme in MRAM-Zellen in Abhängigkeit von der Zellenparametern und äußeren Bedingungen vorherzusagen.(2) Berechnung der Schreib- und Lesefehlerraten in STT-MRAM-Zellen mit Hilfe von massiv-parallelen mikromagnetischen Simulationen dieser Zellen bei unterschiedlichen Temperaturen (und Verifizierung dieser Berechnungen mit Hilfe von entsprechenden Experimenten auf MRAM-Arrays) in einem breiten Bereich von Zeiten und Temperaturen.(3) Vorhersage der Lebenszeit der Information in STT-MRAM-Zellen mit Hilfe von zuverlässigen numerischen Methoden für die Berechnung der Energiebarrieren; diese Methoden sollen im Rahmen dieses Projektes entwickelt werden.Um diese Ziele zu erreichen, plant die Theoriegruppe von General Numerics Research Lab, folgende Methoden zu entwickeln:(i) neue GPU-basierte numerische Methoden für massiv-parallele Langevin-Dynamik-Simulationen von Schaltprozessen in magnetischen Nanoelementen und(ii) fortgeschrittene Methoden für die direkte Bestimmung der Energiebarrieren in Systemen mit mehreren metastabilen Zuständen, wobei die Möglichkeit eines Überganges zwischen unterschiedlichen Zuständen über mehrere Zwischenminima berücksichtigt wird.Die von diesem Projekt zu erwartenden Ergebnisse würden sowohl unser Verständnis der Langzeitdynamik der Magnetisierung in Systemen mit mehreren metastabilen Zuständen entscheidend verbessern, als auch tiefe Einblicke in die Physik der Schaltprozesse in der zukünftigen Generation des magnetischen Speichers (STT-MRAM) erlauben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Kooperationspartner: Dr. Alexey Khvalkovskiy