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新材料组合:为“自旋电子”随机存取存储器铺路

  据日本东京工业大学官网近日报道,该校科学家们开发出一款新的材料组合,它为磁随机存取存储器铺平了道路。这种存储器依赖电子的自旋特性,可超越目前的存储器件。

  自旋电子学是一个现代技术领域。在该领域中,电子的“自旋”或者角动量在电子器件中扮演着主要角色。

  实际上,共同的自旋排列是磁性材料奇异特性的原因,它们在现代电子器件中广泛使用。基于这种现象的器件具有各种各样的应用,特别是非易失性存储器,全世界的研究人员们一直在尝试操控特定材料中的自旋相关特性。

  存储密度达128Mb的自旋转移矩-磁性随机存储器(STT-MRAM),写入速度达14纳秒。(图片来源:日本东北大学)

  近日,日本东京工业大学(Tokyo Tech)的科学家们开发出一款新的材料组合,它为磁随机存取存储器铺平了道路。这种存储器依赖自旋(电子的一种内禀特性),可超越目前的存储器件。他们在一项新研究中发表了他们的突破,描述了一种利用拓扑材料中自旋相关现象的新方案,将促进自旋电子领域取得几项进展。此外,这项研究为自旋相关现象的潜在机制提供了额外的洞察。

  东京工业大学的领导研究团队,在 Pham Nam Hai 副教授的领导下,近日在《(应用物理学杂志)Journal of Applied Physics》上发表了一项关于单向自旋霍尔磁阻(USMR)的研究。这是一种自旋相关的现象,可用于开发结构极其简单的磁性随机存储器(MRAM)单元。

  自旋霍尔效应会导致具有特定自旋的电子聚积在材料侧面。这项研究背后的动机是自旋霍尔效应,这种效应在所谓的“拓扑绝缘体”材料中特别强烈,拓扑绝缘体与铁磁性半导体相结合,可生成巨大的USMR。

  下图是磁阻效应的示意图。拓扑绝缘体中产生电子自旋。处于铁磁体与拓扑绝缘体接口处的那些电子自旋与铁磁体产生交互作用,为器件带来高电阻或者低电阻,这一点取决于磁场和自旋的相对方向。

  基本上,当具有同样自旋的电子在两种材料的界面上聚积时,(如下图)由于自旋霍尔效应,自旋可被注入到铁磁性层中,并翻转其磁化强度,从而进行“存储器写操作”,这意味着存储器件中的数据可被“重写”。与此同时,由于USMR效应,复合结构的电阻可根据磁化强度的方向发生改变。因为电阻可采用外部电路测量,从而可进行“存储器读操作”,该操作采用与写操作同样的电流路径读取数据。

  下图所示:这种提议的材料组合可作为支持读写操作的存储单元。用拓扑绝缘体(TI)材料注入的自旋翻转了铁磁性(FM)材料的磁化强度,代表“写”操作。进一步说,自旋注入也可以改变材料的总体电阻,从而可通过外部电路感测到,代表“读”操作。

  然而,在采用传统重金属实现自旋霍尔效应的现有材料组合中,由USMR效应引起的电阻变化极低(低于1%),从而阻碍了利用这一效应开发MRAM。此外,USMR效应的机制似乎根据采用的材料组合的变化而变化,并且尚不清楚利用哪种机制可提升USMR,使之超过1%。

  为了搞清楚材料组合是如何影响USMR效应的,研究人员们设计了一种由一层砷化镓锰(GaMnAs,一种铁磁性半导体)和一层锑化铋(BiSb,一种拓扑绝缘体)组成的复合结构。有意思的是,他们通过这种组合,成功获取到了巨大的USMR比率,达到1.1%。

  特别是,这项成果表明,利用铁磁性半导体中出现的“磁振子散射(magnon scattering)”和“自旋无序散射(spin-disorder scattering)”现象,可以实现巨大的USMR比率,从而有可能在现实世界中利用这一现象。Hai 博士详尽阐述道:“我们的研究首次演示了有可能获取超过1%的USMR比率,它比用重金属实现的USMR高几个数量级。此外,我们的成果为最大化实用器件的USMR比率提供了一种新方案。”

  这项研究在自旋电子器件的开发中扮演着重要角色。传统的MRAM结构需要约30个超薄层,非常难以实现。通过利用USMR进行读出操作,存储单元仅需要两层。

  Hai 博士总结道:“更深入的材料工程将进一步改善USMR比率,这个比率对于实现结构极其简单和高速读取的USMR基MRAM来说是必不可少的。我们所演示的超过1%的USMR比率,朝着这一目标迈出了重要一步。”