Förverkligande av rumstemperatur-roterande vridmomentsdriven magnetiseringsomkoppling i topologiska isolator-ferromagnetiska heterostrukturer har lovande tillämpningar för låg energiförbrukning och minnen med hög integrationstäthet och logiska enheter.

Den ströminducerade magnetiseringsomkopplingen med spin-orbit-vridmoment (SOT) är en viktig ingrediens för moderna icke-flyktiga magnetiska enheter, såsom magnetiska slumpmässiga åtkomstminnen och logiska enheter som krävs för högpresterande datalagring och beräkning. Som sådan, forskare runt om i världen söker aktivt efter nya sätt att minska den nuvarande höga omkopplingsströmtätheten för att uppnå mycket effektiv SOT -driven magnetiseringsomkoppling. Forskare från National University of Singapore (NUS) har nyligen gjort ett betydande genombrott inom detta forskningsområde.

Leds av docent Yang Hyunsoo från Institutionen för el- och datateknik, NUS -forskargruppen har, för första gången, framgångsrikt visat magnetisering av rumstemperatur som drivs av gigantiska SOT i topologisk isolator/konventionell ferromagnet (Bi2Se3/NiFe) heterostrukturer med en extremt låg strömtäthet, som kan ta itu med frågan om skalbarhet och hög strömförbrukning som behövs i moderna spintronic -enheter.

Resultaten publicerades i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation den 8 november 2017.

Assoc Prof Yang sa, "Våra resultat kan lösa det grundläggande hindret för en hög omkopplingsström i nuvarande tungmetallbaserade SOT -applikationer, och detta är ett stort steg mot rumstemperatur topologiska isolatorbaserade spintronicapplikationer med ultralåg effektförlust och hög integrationstäthet. Vi tror att vårt arbete kommer att kraftigt stimulera topologiska isolatorbaserade globala forskningsaktiviteter från olika discipliner. "

Använder ny kvantämne:topologiska isolatorer

Topologiska isolatorer är elektroniska material som har ett bulkbandgap som en vanlig isolator, men stödjer fortfarande ledande tillstånd på deras yta, besitter en stark spin-orbit-koppling och spin-momentum-låsta topologiska yttillstånd (TSS), där elektronmomentet och spinnpolarisationsriktningarna är starkt låsta.

"På grund av spinnmomentlåsta egenskaper, när laddningsströmmen flödar i TSS, alla elektronspinn kommer att vara helt polariserade i en vinkelrät riktning mot den rörliga elektronens riktning. Därför, en mycket hög effektiv spinnströmgenerering och därmed en gigantisk SOT -effektivitet förväntas hos topologiska isolatorer. "förklarade Dr Zhu Dapeng, som är en av författarna till studien och forskare vid institutionen.

Att dra nytta av TSS är avgörande för att realisera högpresterande topologiska isolatorbaserade SOT -enheter. Dock, i typiska topologiska isolatorer som Bi2Se3, de parasitiska bulktillstånden och tvådimensionell elektrongas kan förorena och/eller tvätta ut den höga SOT -effektiviteten i TSS. För att övervinna detta, forskargruppen har identifierat den TSS -dominerade SOT -effekten i ultratunna Bi2Se3 -filmer (≤ 8 nm), uppvisar en stor SOT -effektivitet upp till 1,75 vid rumstemperatur, vilket är mycket större än värdena ~ 0,01–0,3 i konventionella tungmetaller.

Högpresterande topologiska isolatorbaserade enheter för datalagring och databehandling

I den traditionella tungmetallen (som Pt eller Ta)/ferromagnet SOT -enheter, strömtätheten som krävs för magnetiseringsomkopplingen är fortfarande hög, i storleksordningen ~ 107–108 A/cm2, vilket hindrar deras användning i högpresterande SOT -applikationer.

Teamet visade den högeffektiva ströminducerade magnetiseringsomkopplingen vid rumstemperatur med topologisk isolator Bi2Se3 (8 nm), som kan odlas i en skiva med hjälp av molekylär stråleepitaxy (MBE), med en konventionell 3-D ferromagnet NiFe (6 nm), som används flitigt i olika branscher.

"Vårt arbete presenterar framgångsrikt en betydande minskning av omkopplingsströmtätheten för magnetiseringsomkopplingen genom att använda den gigantiska SOT -effekten i Bi2Se3. Värdet är cirka 6 × 105 A/cm2, som är nästan två storleksordningar mindre än för tungmetaller. Detta är en viktig milstolpe för ultralåg strömförbrukning och applikationer med hög integritetstäthet. Dessutom, våra enheter fungerar robust vid rumstemperatur, som bryter gränsen för ultralåg arbetstemperatur i tidigare TI -enhet. "sade Dr Wang Yi vid avdelningen, som är den andra medförfattaren till studien.

"Vårt magnetiseringsomkopplingsschema kräver inte ett magnetiskt hjälpfält. Detta gör det topologiska isolerings-/ferromagnetmaterialsystemet lätt att integrera i den väletablerade industriella tekniken för magnetiska enheter, "tillade Assoc Prof Yang.

Går vidare, Assoc Prof Yang och hans team genomför experiment för att ytterligare minska omkopplingsströmmen genom att ytterligare förfina systemens material och strukturer, och de planerar också att införliva och testa tekniken i kärnmagnetiska minnesenheter. Teamet hoppas kunna arbeta med branschpartner för att ytterligare utforska olika applikationer med detta nya materialsystem.