Forskere opnår betydeligt gennembrud inden for topologiske isolator-baserede enheder til moderne spintroniske applikationer

Realisering af rumtemperatur spin-orbit drejningsmoment-drevet magnetiseringskobling i topologiske isolator-ferromagnet heterostrukturer har lovende applikationer i lavt strømforbrug og høj integrationstæthed hukommelser og logiske enheder.

Den strøminducerede magnetiseringsomskiftning ved hjælp af spin-orbit torque (SOT) er en vigtig ingrediens for moderne ikke-flygtige magnetiske enheder, såsom magnetiske random access memorys og logiske enheder, der kræves til højtydende datalagring og databehandling. Som sådan, forskere over hele verden søger aktivt efter nye måder at reducere den nuværende høje koblingsstrømtæthed for at opnå højeffektiv SOT-drevet magnetiseringskobling. Forskere fra National University of Singapore (NUS) har for nylig fået et markant gennembrud inden for dette forskningsfelt.

Ledet af lektor Yang Hyunsoo fra Institut for Elektro- og Computerteknik, NUS-forskerholdet har, for første gang, med succes demonstreret omskiftning af magnetisering ved stuetemperatur drevet af gigantiske SOT'er i topologiske isolator/konventionel ferromagnet (Bi2Se3/NiFe) heterostrukturer med en ekstrem lav strømtæthed, der kan løse problemet med skalerbarhed og højt strømforbrug, der er nødvendigt i moderne spintronic-enheder.

Resultaterne blev offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation den 8. november 2017.

Associate Prof Yang sagde, "Vores resultater kan løse den grundlæggende hindring for en høj koblingsstrøm i nuværende tungmetalbaserede SOT-applikationer, og dette er et stort skridt i retning af topologiske isolatorbaserede spintroniske applikationer ved stuetemperatur med ultralav effektafledning og høj integrationstæthed. Vi tror på, at vores arbejde i høj grad vil styrke topologiske isolator-baserede globale forskningsaktiviteter fra forskellige discipliner."

Anvendelse af nyt kvantestof:topologiske isolatorer

Topologiske isolatorer er elektroniske materialer, der har et bulkbåndgab som en almindelig isolator, men støtter stadig ledende stater på deres overflade, med en stærk spin-kredsløbskobling og spin-momentum-låste topologiske overfladetilstande (TSS), hvorpå elektronmomentet og spinpolarisationsretningerne er stærkt låst.

"På grund af spin-momentum-låste egenskaber, som ladestrøm flyder i TSS, alle elektronspin vil være fuldt polariseret i en vinkelret retning på retningen af ​​den bevægende elektron. Derfor, en meget høj effektiv spinstrømgenerering og dermed en kæmpe SOT-effektivitet forventes i topologiske isolatorer." forklarede Dr. Zhu Dapeng, som er med-førsteforfatter af undersøgelsen og forskningsstipendiat ved instituttet.

At drage fordel af TSS er afgørende for at realisere højtydende topologiske isolatorbaserede SOT-enheder. Imidlertid, i typiske topologiske isolatorer som Bi2Se3, de parasitære bulktilstande og todimensionel elektrongas kan forurene og/eller udvaske den høje SOT-effektivitet i TSS. For at overkomme dette, forskerholdet har identificeret den TSS-dominerede SOT-effekt i ultratynde Bi2Se3-film (≤ 8 nm), udviser en stor SOT-effektivitet op til 1,75 ved stuetemperatur, hvilket er meget større end værdierne på ~0,01-0,3 i konventionelt brugte tungmetaller.

Højtydende topologiske isolatorbaserede enheder til datalagring og databehandling

I de traditionelle tungmetal (såsom Pt eller Ta)/ferromagnet SOT-enheder, den krævede strømtæthed til magnetiseringskoblingen er stadig høj, i størrelsesordenen ~107-108 A/cm2, hvilket hindrer deres brug i højtydende SOT-applikationer.

Holdet demonstrerede den højeffektive strøminducerede magnetiseringskobling ved stuetemperatur ved hjælp af topologisk isolator Bi2Se3 (8 nm), som kan dyrkes i waferskala ved hjælp af molekylær stråleepitaxi (MBE), med en konventionel 3-D ferromagnet NiFe (6 nm), som er meget brugt i forskellige brancher.

"Vores arbejde præsenterer med succes en betydelig reduktion af koblingsstrømtætheden for magnetiseringskoblingen ved at bruge den gigantiske SOT-effekt i Bi2Se3. Værdien er omkring 6×105 A/cm2, hvilket er næsten to størrelsesordener mindre end tungmetallers. Dette er en vigtig milepæl for det ultralave strømforbrug og SOT-enhedsapplikationer med høj integrationstæthed. I øvrigt, vores enheder fungerer robust ved stuetemperatur, som udbryder grænsen for ultralav arbejdstemperatur i tidligere TI-enheder." sagde Dr. Wang Yi fra afdelingen, hvem er den anden medførsteforfatter til undersøgelsen.

"Vores magnetiseringskoblingsskema kræver ikke et hjælpemagnetisk felt. Dette gør de topologiske isolator-/ferromagnetmaterialesystemer nemme at integrere i den veletablerede industrielle teknologi til magnetiske enheder, " tilføjede Associate Prof Yang.

Bevæger sig fremad, Assoc Prof Yang og hans team udfører eksperimenter for yderligere at reducere koblingsstrømmen ved yderligere at forfine systemernes materialer og strukturer, og de planlægger også at inkorporere og teste teknologien i kernemagnetiske hukommelsesenheder. Holdet håber at arbejde med industripartnere for yderligere at udforske forskellige applikationer med disse nye materialesystemer.