更強大的電子自旋現(xiàn)象有望為下一代存儲技術鋪路

（文章來源：DeepTech深科技）
? ? ?? 東京工業(yè)大學（Tokyo Tech）的科學家們報告了一種新的材料組合，它為基于自旋的磁性隨機存取存儲器（RAM）奠定了基礎。這項創(chuàng)新可能會讓目前的存儲設備取得巨大進步。

自旋是電子的固有屬性。在一項新研究中，他們提出了一種使用拓撲材料中相關電子自旋現(xiàn)象的新策略，這可能推動自旋電子學領域的多項進展。此外，這項研究還進一步探索了自旋現(xiàn)象的基本機制。

自旋電子學是一個新興的領域，它主要涉及電子的自旋和電子角動量。事實上，現(xiàn)代電子技術中廣泛使用的磁性材料，就是因為電子自旋陣列使其具有了奇特特性。研究人員一直試圖操縱某些材料的自旋相關特性，特別是用于非易失性存儲器的材料。磁性非易失性存儲器 (MRAM) 在功耗和速度方面有超越當前半導體存儲器技術的潛力。

由東京工業(yè)大學 Pham Nam Hai 副教授領導的一組研究人員，最近在《應用物理學雜志》(Journal of Applied Physics)上發(fā)表了一項關于單向自旋霍爾磁阻 (USMR) 的研究。自旋霍爾效應會導致具有特定自旋的電子在材料的側面聚集，它在拓撲絕緣體材料中表現(xiàn)得尤為強烈。將拓撲絕緣體與鐵磁半導體結合在一起，自旋霍爾效應可以產(chǎn)生巨大的單向自旋霍爾磁阻。

當自旋相同的電子聚集在兩種材料之間的界面時，由于自旋霍爾效應，自旋可以注入到鐵磁層并發(fā)生磁化翻轉，實現(xiàn)內(nèi)存的寫入操作，這意味著在存儲設備中可以重寫數(shù)據(jù)。同時，由于 USMR 效應，復合材料的電阻隨磁化方向的變化而變化。這時使用外部電路可以測量電阻，實現(xiàn)內(nèi)存的讀取操作。在這個過程中，數(shù)據(jù)可以使用與寫入操作相同的電流路徑讀取。

然而，現(xiàn)有材料組合使用傳統(tǒng)的重金屬作為自旋霍爾效應的材料，使得由 USMR 效應引起的電阻變化是非常低的，遠低于 1%。這阻礙了利用這種效應的 MRAM 的發(fā)展。此外，USMR 效應的機制似乎因材料的組合而異，目前還不清楚哪種機制可以將 USMR 效應提高到 1% 以上。

為了了解材料組合如何影響 USMR 效應，研究人員設計了一種由鎵錳砷化物 (一種鐵磁半導體) 和銻化鉍 (一種拓撲絕緣體) 組成的復合結構層。通過這種組合，他們實現(xiàn)了 1.1% 的 USMR 效率。結果顯示，利用鐵磁半導體中的磁振子散射和自旋無序散射兩種現(xiàn)象，都可以得到很好的 USMR 效率，這也使得這一研究在實際應用中成為可能。Hai 博士說：“我們的研究首次證明，USMR 效率有可能超過 1%。這比使用重金屬的 USMR 效率要高幾個數(shù)量級。此外，我們的結果提供了一種新的策略，以最大限度地提高實際設備的 USMR 應用效率。

本研究對自旋電子學的發(fā)展具有重要意義。傳統(tǒng)的 MRAM 結構需要大約 30 層超薄層，這是非常具有挑戰(zhàn)性的。通過使用 USMR 效應進行讀取操作，只需要兩層存儲單元。Hai 博士總結說：“進一步的材料工程研究可能會進一步提高 USMR 效率，這對于結構極其簡單、讀取速度極快的基于 USMR 的 MRAMs 來說是至關重要的。我們的研究成果是朝著這個目標邁出的重要一步?！?br /> ? ? ? （責任編輯：fqj）