Baner vejen for spintronic RAM'er:Et dybere kig på et kraftfuldt spin -fænomen

Forskere ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) rapporterer om en ny materialekombination, der sætter scenen for magnetisk random access -hukommelse baseret på spin, elektronernes egen egenskab. Innovationen kunne udkonkurrere nuværende lagerenheder. Deres gennembrud, offentliggjort i en ny undersøgelse, beskriver en ny strategi for at udnytte spin-relaterede fænomener i topologiske materialer og kunne anspore flere fremskridt inden for spinelektronik. I øvrigt, denne undersøgelse giver yderligere indsigt i den bagvedliggende mekanisme for spin-relaterede fænomener.

Spintronics er et moderne teknologisk felt, hvor spin, eller vinkelmomentet, af elektroner spiller en primær rolle. Faktisk, kollektive spin -arrangementer er årsagen til de nysgerrige egenskaber ved magnetiske materialer, som populært bruges i moderne elektronik. Forskere har forsøgt at manipulere spin-relaterede egenskaber i visse materialer, især for ikke-flygtig hukommelse. Magnetisk ikke-flygtig hukommelse, (MRAM) har potentiale til at overgå nuværende halvlederhukommelsesteknologi med hensyn til strømforbrug og hastighed.

Et team af forskere fra Tokyo Tech, ledet af lektor Pham Nam Hai, for nylig offentliggjort en undersøgelse i Journal of Applied Physics om ensrettet spin Hall magnetoresistance (USMR), et spin-relateret fænomen, der kunne bruges til at udvikle MRAM-celler med en ekstremt enkel struktur. Spin Hall -effekten fører til ophobning af elektroner med et bestemt spin på materialets laterale sider. Spin Hall -effekten, som er særlig stærk i materialer kendt som topologiske isolatorer, kan resultere i en kæmpe USMR ved at kombinere en topologisk isolator med en ferromagnetisk halvleder.

Når elektroner med det samme spin akkumuleres på grænsefladen mellem de to materialer, på grund af spin Hall -effekten (fig. 1), spinnene kan injiceres i det ferromagnetiske lag og vende dets magnetisering, muliggør hukommelsesskrivning, hvilket betyder, at dataene i lagerenheder kan omskrives. På samme tid, modstanden i den sammensatte struktur ændres med magnetiseringsretningen på grund af USMR -effekten. Modstand kan måles ved hjælp af et eksternt kredsløb, muliggør hukommelseslæsningsoperationer, hvor data kan læses ved hjælp af den samme aktuelle sti med skriveoperationen. I eksisterende materialekombination ved hjælp af konventionelle tungmetaller til spin Hall -effekten, imidlertid, ændringerne i resistens forårsaget af USMR -effekten er ekstremt lave - langt under 1 procent - hvilket forhindrer udviklingen af ​​MRAM ved hjælp af denne effekt. Ud over, mekanismen for USMR -effekten synes at variere alt efter kombinationen af ​​det anvendte materiale, og det er ikke klart, hvilken mekanisme der kan udnyttes til at øge USMR til over 1 procent.

For at forstå, hvordan materialekombinationer kan påvirke USMR -effekten, forskerne designede en sammensat struktur omfattende et lag gallium mangan arsenid (GaMnAs, en ferromagnetisk halvleder) og vismutantimonid (BiSb, en topologisk isolator). Med denne kombination, de opnåede et kæmpe USMR -forhold på 1,1 procent. I særdeleshed, resultaterne viste, at udnyttelse af to fænomener i ferromagnetiske halvledere, magnonspredning og spinsygdelspredning, kan føre til et kæmpe USMR -forhold, gør det muligt at bruge dette fænomen i virkelige applikationer. Dr. Hai siger, "Vores undersøgelse er den første, der viser, at det er muligt at opnå et USMR -forhold større end 1 procent. Dette er flere størrelsesordener højere end dem, der bruger tungmetaller til USMR. Desuden er vores resultater giver en ny strategi for at maksimere USMR -forholdet til praktiske apparatapplikationer. "

Denne undersøgelse kan spille en central rolle i udviklingen af ​​spintronics. Konventionel MRAM -struktur kræver omkring 30 ultratynde lag, hvilket er meget udfordrende at lave. Ved at bruge USMR til udlæsning, kun to lag er nødvendige for hukommelsescellerne. "Yderligere materialeteknik kan yderligere forbedre USMR -forholdet, hvilket er afgørende for USMR-baserede MRAM'er med en ekstremt enkel struktur og hurtig læsning. Vores demonstration af et USMR -forhold på over 1 procent er et vigtigt skridt i retning af dette mål, "slutter Dr. Hai.