JP6902783B2 - Magnetic memory element, and method of writing and reading information of magnetic memory element - Google Patents
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Description
本発明は、磁気メモリ素子、および磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法に関する。 The present invention relates to a magnetic memory element and a method of writing and reading information on the magnetic memory element.
近年、強磁性、強誘電性、強弾性などの性質を複数有するマルチフェロイック物質の開発が進んでいる。かかるマルチフェロイック物質のうち、強誘電性と強磁性とを併せ持ち、かつ電場で磁化を制御できる物質は、電場による磁化の応答を利用した低消費電力磁気メモリ素子としての応用が期待されている。 In recent years, the development of multiferroic materials having a plurality of properties such as ferromagnetism, ferroelectricity, and ferroelasticity has been progressing. Among such multiferroic materials, materials that have both ferroelectricity and ferromagnetism and whose magnetization can be controlled by an electric field are expected to be applied as low power consumption magnetic memory elements that utilize the response of magnetization by an electric field. ..
従来、マルチフェロイック物質を利用した素子として、AFeO3型オルソフェライトなどからなるマルチフェロイック素子が知られている(例えば特許文献1参照)。 Conventionally, as an element using a multiferroic substance, a multiferroic element made of AFeO type 3 orthoferrite or the like is known (see, for example, Patent Document 1).
これまでに知られているマルチフェロイック物質の多くは、−200℃以下の低温でしか強磁性と強誘電性の両方を示さない、あるいは電場印加による磁化の反転を行えないため、磁気メモリ素子として実用化するのは困難であった。 Most of the multiferroic materials known so far show both ferromagnetism and ferroelectricity only at a low temperature of −200 ° C. or lower, or can reverse the magnetization by applying an electric field, so that they are magnetic memory devices. It was difficult to put it to practical use.
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的のひとつは、室温で電場による情報の書き込み及び読み取りが可能な磁気メモリ素子の提供にある。 The present invention has been made in view of such a situation, and one of the objects thereof is to provide a magnetic memory element capable of writing and reading information by an electric field at room temperature.
上記課題を解決するために、本発明のある態様の磁気メモリ素子は、ペロブスカイト構造を有し、擬立方表記で格子定数が3.90〜3.97Åである化合物からなる基板と、基板上に配置された下部電極と、下部電極上に配置された、下記式(1)で表される化合物からなり、厚さが200nm〜1000nmである薄膜と、薄膜上に配置された上部電極と、を含む。
BiFe1−xAxO3・・・(1)
[式(1)中、AはCoまたはMnであり、xは0.05≦x<0.25を満たす。]
In order to solve the above problems, the magnetic memory element of an embodiment of the present invention has a perovskite structure, and a substrate made of a compound having a lattice constant of 3.90 to 3.97 Å in pseudo-cube notation and a substrate on the substrate. An arranged lower electrode, a thin film having a thickness of 200 nm to 1000 nm, which is composed of a compound represented by the following formula (1) and arranged on the lower electrode, and an upper electrode arranged on the thin film. Including.
BiFe 1-x A x O 3 ... (1)
[In the formula (1), A is Co or Mn, and x satisfies 0.05 ≦ x <0.25. ]
上記基板は、110配向のGdScO3基板、110配向のDyScO3基板、110配向のSrTiO3基板、111配向のSrTiO3基板および001配向のSrTiO3基板からなる群より選択されてもよい。 The substrate, GdScO 3 substrate 110 orientation, DyScO 3 substrate 110 orientation, 110 SrTiO 3 substrate of orientation may be selected from SrTiO 3 group consisting of a substrate of SrTiO 3 substrate and 001 the orientation of the 111 orientation.
本発明のある態様の磁気メモリ素子の書き込みおよび読み取り方法は、上記磁気メモリ素子の下部電極と上部電極に電圧を印加し、薄膜の磁化を反転させることによって、情報を書き込む工程と、薄膜の磁化の反転を検出することによって、書き込まれた情報を読み取る工程と、を含む。 A method of writing and reading a magnetic memory element according to an aspect of the present invention includes a step of writing information by applying a voltage to the lower electrode and the upper electrode of the magnetic memory element and reversing the magnetization of the thin film, and the magnetization of the thin film. Includes the step of reading the written information by detecting the inversion of.
本発明の磁気メモリ素子は、室温で電場を印加することにより磁化反転させることによって、情報の書き込み、読み取りを行うことが可能であり、消費電力の大幅な低下が可能である。 The magnetic memory element of the present invention can write and read information by reversing the magnetization by applying an electric field at room temperature, and can significantly reduce power consumption.
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。各図面に示される同一又は同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings based on preferred embodiments. The embodiments are not limited to the invention, but are exemplary, and all the features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings shall be designated by the same reference numerals, and redundant description will be omitted as appropriate. In addition, the scale and shape of each part shown in each figure are set for convenience in order to facilitate explanation, and are not limitedly interpreted unless otherwise specified.
(磁気メモリ素子)
図1は、実施の形態にかかる磁気メモリ素子の一例の構成を示す概略図である。磁気メモリ素子10は、ペロブスカイト構造を有し、擬立方表記で格子定数が3.90〜3.97Åである化合物からなる基板11と、基板11上に配置された下部電極12と、下部電極12上に配置された薄膜13と、薄膜13上に配置された上部電極14とを含む。図1において、電源15は、磁気メモリ素子10へ電圧を印加するための電源である。
(Magnetic memory element)
FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of an example of a magnetic memory element according to an embodiment. The
基板11は、ペロブスカイト構造を有し、擬立方表記で格子定数が3.90〜3.97Åである化合物からなる。このような化合物からなる基板11上に薄膜13を形成することで、薄膜13自体の本質的な磁化を発現させることができ、室温での電場印加による薄膜13の磁化の反転が可能となる。基板11の具体例としては、110配向のGdScO3基板、110配向のDyScO3基板、110配向のSrTiO3基板、111配向のSrTiO3基板および001配向のSrTiO3基板が挙げられる。基板11の厚さは、特に限定されないが、薄膜合成および取り扱いのしやすさの観点から、300μm〜1000μmが好ましく、400μm〜600μmがより好ましい。
The
下部電極12を構成する材料は特に限定されず、既知の電極材料を使用することができる。当該材料の例としては、SrRuO3、LaNiO3、La0.5Sr0.5CoO3などが挙げられる。
The material constituting the
薄膜13は、下記式(1)で表される化合物からなる。
BiFe1−xAxO3・・・(1)
式(1)中、AはCoまたはMnであり、xは0.05≦x<0.25を満たす。xが0.05以上であることで、薄膜13は、室温で強磁性と強誘電性を発揮することができる。xが0.25未満であることで、薄膜13の結晶構造の変化を抑えることができる。室温での薄膜13の自発磁化の大きさは1emu/cm3〜10emu/cm3程度であり、自発分極の大きさは50〜150μC/cm2程度である。薄膜13の磁化方向は、下部電極12および上部電極14に電圧を印加して生じた電場によって反転することができる。これによって、薄膜13に情報を書き込むことができ、反転した磁化を検出することで、書き込まれた情報を読み取ることができる。
The
BiFe 1-x A x O 3 ... (1)
In the formula (1), A is Co or Mn, and x satisfies 0.05 ≦ x <0.25. When x is 0.05 or more, the
薄膜13の厚さは、200nm〜1000nmである。かかる薄膜13の厚さであれば、薄膜13に確実に電場を印加できるようになり、デバイスとしての信頼性を向上できる。格子歪みの観点から、薄膜13の厚さは、200nm〜400nmが好ましい。
The thickness of the
下部電極12および薄膜13の形成方法は、特に限定されず、物理気相蒸着法(PVD法)や、化学気相蒸着法(CVD法)などの、当業者に既知の方法で形成することができる。PVD法の具体例としては、パルスレーザー堆積(PLD)法、電子ビーム蒸着法などがある。CVD法の具体例としては、有機金属(MO)CVD法、ミストCVD法などがある。
The method for forming the
上部電極14を構成する材料は、下部電極12と同様に、特に限定されず、既知の電極材料を用いることができる。下部電極12と上部電極14を構成する材料は、同じであっても、異なっていてもよい。上部電極14は、下部電極12と同様に例えば上記の気相蒸着法によって形成してもよい。あるいは、公知の電極パッドを上部電極14として薄膜13上に貼り付けてもよい。
The material constituting the
(磁気メモリ素子の情報の書き込みおよび読み取り方法)
図2(A)および図2(B)は、実施の形態に係る磁気メモリ素子の書き込みおよび読み取り方法の工程図である。本実施の形態に係る磁気メモリ素子の情報の書き込みおよび読み取り方法は、磁気メモリ素子の下部電極および上部電極に電圧を印加し、薄膜の磁化を反転させて、情報を書き込む工程と、薄膜の磁化の反転を検出して、書き込まれた情報を読み取る工程とを含む。当該方法によれば、電場の印加によって磁気メモリ素子への情報の書き込みを行うため、電流によって発生した磁場で書き込みを行う従来の磁気メモリ素子と比較して電力消費を抑えることができる。
(Method of writing and reading information of magnetic memory element)
2 (A) and 2 (B) are process diagrams of a method of writing and reading a magnetic memory element according to an embodiment. The method of writing and reading the information of the magnetic memory element according to the present embodiment includes a step of applying a voltage to the lower electrode and the upper electrode of the magnetic memory element to invert the magnetization of the thin film and writing the information, and the magnetization of the thin film. Includes the step of detecting the inversion of and reading the written information. According to this method, since information is written to the magnetic memory element by applying an electric field, power consumption can be suppressed as compared with a conventional magnetic memory element that writes with a magnetic field generated by an electric current.
具体的には、図2(A)では、電場印加前の磁気メモリ素子10と、磁気メモリ素子の上部に配置された読み取り部20が示されている。図2(A)では、電場印加前の薄膜13の磁化方向Mは黒矢印で示すように下向きである。
Specifically, FIG. 2A shows a
次に、図2(B)に示すように、磁気メモリ素子10の下部電極12と上部電極14に、白矢印で示す方向に電圧Eを印加することによって、薄膜13に電場を印加する。これによって、薄膜13の磁化方向が黒矢印で示すように上向きに反転し、薄膜13に情報が書き込まれる。図2(A)および図2(B)では、理解しやすくするために、薄膜の磁化の方向Mを黒矢印で示したが、実際には、薄膜13を構成するBiFe1−xCoxO3は、8つの111方向を向く電気分極に垂直な磁化容易面を形成している。本実施の形態では、下部電極12と上部電極14に電圧を印加することで、薄膜13の面直成分の磁化を反転させる。
Next, as shown in FIG. 2B, an electric field is applied to the
薄膜13に書き込まれた情報は、読み取り部20によって、薄膜13の磁化の反転を検出することによって読み取る。読み取り部20は、磁気ドメイン以下のサイズに加工した、磁化の反転を検出できるセンサを含む。そのようなセンサとしては、例えば、磁気抵抗効果素子等が挙げられる。
The information written in the
以下、本発明の実施例を説明するが、これら実施例は、本発明を好適に説明するための例示に過ぎず、なんら本発明を限定するものではない。 Hereinafter, examples of the present invention will be described, but these examples are merely examples for suitably explaining the present invention, and do not limit the present invention in any way.
BiFe1−xCoxO3薄膜を作製するために、基板として、菱面体晶構造の安定化が期待できるSrTiO3(111)、および薄膜との格子ミスマッチの小さなGdScO3(110)を選択した。これらの基板上にパルスレーザー堆積(PLD)法により下部電極として15nmのSrRuO3薄膜を作製したのちに、酸素分圧15Pa、基板温度700℃の条件でBiFe1−xCoxO3薄膜(x=0,0.05,0.10,0.15,膜厚200nm)を作製した。結晶性の評価はX線回折(XRD)(リガク社製SmartLab)を用いて行った。電気特性の評価は直径100μmのPt上部電極を電子ビーム蒸着により堆積させたのちに、強誘電体評価システム(東陽テクニカ社製FCE−1E)を用いて行った。強誘電ドメインの観察・書き込みおよび強磁性ドメインの観察は、圧電応答顕微鏡(PFM)および磁気力応答顕微鏡(MFM)(Agilent 5420)を用いて行った。磁気特性は超伝導量子干渉素子(SQUID)(カンタムデザイン社製MPMS)を用いて評価した。
To generate BiFe 1-x Co x O 3 thin film, as the substrate, SrTiO 3 (111) to stabilize the rhombohedral structure can be expected, and the lattice mismatch small GdScO 3 (110) of the thin film was selected .. After forming a 15 nm SrRuO 3 thin film as a lower electrode on these substrates by a pulse laser deposition (PLD) method , a BiFe 1-x Co x O 3 thin film (x) under the conditions of an oxygen partial pressure of 15 Pa and a substrate temperature of 700 ° C. = 0,0.05,0.10,0.15,
まずはSrTiO3(111)基板上のBiFe1−xCoxO3薄膜についての結果を示す。全ての組成において、単相の菱面対称構造を持つBiFe1−xCoxO3薄膜が得られたことをXRD 2θ−θスキャンおよび121ピークのφスキャンにより確認した。続いて、BiFe1−xCoxO3薄膜について室温における強誘電性の有無を確認した。x=0,0.10組成の薄膜のP−Eヒステリシスループを図3(A)に示す。x=0組成の薄膜(BiFeO3)では、角型の良好なヒステリシスループが得られた。一方、x=0.10組成の薄膜ではリークが増加したことにより、丸みを帯びたヒステリシスループとなった。更にCo置換量を増やしたx=0.15組成の薄膜では、リークが更に増加したことにより、ヒステリシスループを得ることは出来なかった。そこで、リークの影響を受けにくいPFMによる書き込みを行った(図3(B))。明瞭な強誘電ドメインが書き込みできていることがわかる。以上のことから、全ての薄膜は室温で強誘電体であることを確認した。 First shows a SrTiO 3 (111) BiFe 1- x Co x O 3 results for the thin film on the substrate. In all compositions was confirmed by BiFe 1-x Co x O 3 XRD that thin film was obtained 2 [Theta]-theta scan and 121 peaks of φ scan with rhombohedral symmetry structure of a single phase. Subsequently, to confirm the presence or absence of the ferroelectric at room temperature for BiFe 1-x Co x O 3 thin film. The PE hysteresis loop of the thin film having the composition of x = 0,0.10. Is shown in FIG. 3 (A). In the thin film (BiFeO 3 ) having an x = 0 composition, a good prismatic hysteresis loop was obtained. On the other hand, in the thin film having x = 0.10 composition, the leakage increased, resulting in a rounded hysteresis loop. In the thin film having a composition of x = 0.15 in which the amount of Co substitution was further increased, a hysteresis loop could not be obtained due to the further increase in leakage. Therefore, writing was performed by PFM, which is not easily affected by the leak (FIG. 3 (B)). It can be seen that a clear ferroelectric domain can be written. From the above, it was confirmed that all the thin films were ferroelectrics at room temperature.
SrTiO3(111)基板上のBiFe1−xCoxO3薄膜の面内残留磁化の温度依存性を図4(A)に示す。x=0および0.05組成の薄膜の磁化は、この温度範囲でほぼゼロであった。これに対し、x=0.10および0.15組成の薄膜の磁化は、それぞれ、おおよそ220Kおよび130Kで大きく変化していることがわかる。300Kにおける面内磁化の外部磁場依存性を図4(B)に示す。x=0.10および0.15組成の薄膜は、強磁性ヒステリシスループを示した。残留磁化の値は、0.04μB/f.u.程度である。これらの結果から、x=0.10および0.15組成の薄膜は、室温において傾角スピンによる弱強磁性を示していると考えられる。同様に、SrTiO3(001)基板上のBiFe0.9Co0.1O3ならびにBiFe0.9Mn0.1O3でも室温で傾角スピンによる弱強磁性を示す事を確認した(図4(C)〜図4(F)参照)。 SrTiO 3 (111) BiFe 1- x Co x O 3 Temperature dependence of the in-plane residual magnetization of the thin film on the substrate is shown in FIG. 4 (A). The magnetization of the thin film having x = 0 and 0.05 composition was almost zero in this temperature range. On the other hand, it can be seen that the magnetizations of the thin films having x = 0.10 and 0.15 compositions change significantly at approximately 220K and 130K, respectively. The external magnetic field dependence of the in-plane magnetization at 300K is shown in FIG. 4 (B). Thin films with x = 0.10 and 0.15 compositions showed a ferromagnetic hysteresis loop. The value of residual magnetization is 0.04 μB / f. u. Degree. From these results, it is considered that the thin films having the composition of x = 0.10 and 0.15 show weak ferromagnetism due to the tilt angle spin at room temperature. Similarly, it was confirmed that BiFe 0.9 Co 0.1 O 3 and BiFe 0.9 Mn 0.1 O 3 on the SrTiO 3 (001) substrate also showed weak ferromagneticness due to tilt angle spin at room temperature (FIG. 4). (C) to FIG. 4 (F)).
最後に強誘電性と強磁性の相関の有無を調べるために、PFMとMFMを用いて強誘電ドメインと強磁性ドメインの観察を試みた。しかし、磁気構造変化が観測できたSrTiO3基板上のBiFe1−xCoxO3薄膜の自発磁化は薄膜面内に存在するため、MFMを用いた磁気ドメインの観察は困難であった。そこで、薄膜面外方向に磁化成分を持つことが期待できるGdScO3(110)基板上のBiFe1−xCoxO3薄膜について同様の実験を行った。具体的には、BiFe1−xCoxO3の分極は8つの111方向を向くため、面外、および2つの直交する方向からの面内の圧電応答をマッピングする必要がある。したがって、PFMによって膜表面の面外、および2つの直交する方向からの面内の分極を測定し、得られた3つの画像を、画像処理によって一枚に合成することで、totalの分極マッピング像を作製した。図5(A)にGdScO3(110)基板上のBiFe0.9Co0.1O3薄膜のPFM像を示す。ストライプ上のコントラストが存在することがわかる。このようなドメイン構造は(001)配向のBiFeO3薄膜でしばしば報告されており、71°ドメインであると考えられる。図5(B)に同一の領域で観察したMFM像を示す。PFM像と類似したコントラストが存在することがわかる。磁性カンチレバーの磁化の向きを反転させて観察して、コントラストが反転することを確認し、これらのコントラストが磁気ドメインに対応することを確認した。以上の結果から、強誘電ドメインと強磁性ドメインの間に相関が存在することが明らかになった。続いて、PFMを用いて電場を印加して面外分極を反転させた後、同様のPFMおよびMFMを測定し、電場印加による磁化反転が起きたかどうかを検証した。 Finally, in order to investigate the presence or absence of the correlation between ferroelectricity and ferromagnetism, we attempted to observe the ferroelectric domain and the ferromagnetic domain using PFM and MFM. However, it was difficult to observe the magnetic domain using MFM because the spontaneous magnetization of the BiFe 1-x Co x O 3 thin film on the SrTiO 3 substrate on which the change in magnetic structure could be observed exists in the thin film plane. Therefore, the same experiment was carried out for BiFe 1-x Co x O 3 thin film GdScO 3 (110) substrate that can be expected to have a magnetization component in the thin film plane outward. Specifically, the polarization of BiFe 1-x Co x O 3 is for facing the eight 111 direction, it is necessary to map the piezoelectric response of the plane of the out-of-plane, and the two orthogonal directions. Therefore, the polarization mapping image of total is obtained by measuring the out-of-plane and in-plane polarization of the film surface by PFM and synthesizing the obtained three images into one image by image processing. Was produced. FIG. 5 (A) shows a PFM image of a BiFe 0.9 Co 0.1 O 3 thin film on a GdScO 3 (110) substrate. It can be seen that there is contrast on the stripes. Such domain structures are often reported in (001) oriented BiFeO 3 thin films and are believed to be in the 71 ° domain. FIG. 5B shows an MFM image observed in the same region. It can be seen that there is a contrast similar to the PFM image. The direction of magnetization of the magnetic cantilever was reversed and observed, and it was confirmed that the contrasts were reversed, and it was confirmed that these contrasts corresponded to the magnetic domain. From the above results, it was clarified that there is a correlation between the ferroelectric domain and the ferromagnetic domain. Subsequently, an electric field was applied using PFM to invert the out-of-plane polarization, and then the same PFM and MFM were measured to verify whether or not the magnetization reversal due to the application of the electric field occurred.
ポーリング後のBiFe0.9Co0.1O3薄膜のPFM像およびMFM像をそれぞれ図5(C)、図5(D)に示す。図5(C)および図5(D)から、電場印加によって、強誘電ドメインはドメイン形状を保ちつつ面直成分のみ分極が反転し、これに伴い、面直磁化が反転した。これにより、電場を印加することで局所的な磁化の反転が起こることを確認した。 The PFM image and the MFM image of the BiFe 0.9 Co 0.1 O 3 thin film after polling are shown in FIGS. 5 (C) and 5 (D), respectively. From FIGS. 5 (C) and 5 (D), by applying an electric field, the polarization of the ferroelectric domain was reversed only in the plane-straight component while maintaining the domain shape, and the plane-direct magnetization was reversed accordingly. From this, it was confirmed that local magnetization reversal occurs by applying an electric field.
以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組み合わせや工程の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。 Although the present invention has been described above with reference to the above-described embodiment, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the configuration of the embodiment may be appropriately combined or replaced. It is included in the present invention. Further, it is also possible to appropriately rearrange the combinations and the order of processes in the embodiment based on the knowledge of those skilled in the art, and to add modifications such as various design changes to the embodiments, and such modifications are added. The embodiments described may also be included in the scope of the present invention.
10 磁気メモリ素子、 11 基板、 12 下部電極、 13 薄膜、 14 上部電極。 10 Magnetic memory element, 11 Substrate, 12 Lower electrode, 13 Thin film, 14 Upper electrode.
Claims (3)
前記基板上に配置された下部電極と、
前記下部電極上に配置された、下記式(1)で表される化合物からなり、厚さが200nm〜1000nmである薄膜と、
前記薄膜上に配置された上部電極と、
を含み、前記上部電極と前記下部電極との間に印加された電圧によって前記薄膜の磁化を反転することを特徴とする磁気メモリ素子。
BiFe1−xAxO3・・・(1)
[式(1)中、AはCoまたはMnであり、xは0.05≦x<0.25を満たす。] A substrate composed of a compound having a perovskite structure and a lattice constant of 3.90 to 3.97 Å in pseudocubic notation.
With the lower electrode arranged on the substrate,
A thin film composed of a compound represented by the following formula (1) and having a thickness of 200 nm to 1000 nm arranged on the lower electrode, and a thin film having a thickness of 200 nm to 1000 nm.
With the upper electrode arranged on the thin film,
Unrealized, a magnetic memory device characterized by inverting the magnetization of the thin film by a voltage applied between the upper electrode and the lower electrode.
BiFe 1-x A x O 3 ... (1)
[In the formula (1), A is Co or Mn, and x satisfies 0.05 ≦ x <0.25. ]
前記磁気メモリ素子の下部電極と上部電極に電圧を印加し、前記電圧によって前記薄膜の磁化を反転させて、情報を書き込む工程と、
前記薄膜の磁化の反転を検出して、書き込まれた情報を読み取る工程と、
を含むことを特徴とする磁気メモリ素子の情報の書き込みおよび読み取り方法。 The method for writing and reading information on a magnetic memory element according to claim 1 or 2.
A step of applying a voltage to the lower electrode and the upper electrode of the magnetic memory element, inverting the magnetization of the thin film by the voltage, and writing information.
The step of detecting the reversal of the magnetization of the thin film and reading the written information,
A method of writing and reading information on a magnetic memory element, comprising:
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