Forskare vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) rapporterar en ny materialkombination som sätter scenen för magnetiskt random access-minne baserat på spinn, en inneboende egenskap hos elektroner. Innovationen kan överträffa nuvarande lagringsenheter. Deras genombrott, publicerad i en ny studie, beskriver en ny strategi för att exploatera spinnrelaterade fenomen i topologiska material och kan sporra flera framsteg inom spinelektronikområdet. Dessutom, denna studie ger ytterligare insikt i den underliggande mekanismen för spinnrelaterade fenomen.

Spintronics är ett modernt tekniskt område där spinn, eller rörelsemängden, av elektroner spelar en primär roll. Faktiskt, kollektiva spin-arrangemang är orsaken till magnetiska materials märkliga egenskaper, som populärt används i modern elektronik. Forskare har försökt att manipulera spinnrelaterade egenskaper i vissa material, speciellt för icke-flyktigt minne. Magnetiskt icke-flyktigt minne, (MRAM) har potential att överträffa nuvarande halvledarminnesteknologi när det gäller strömförbrukning och hastighet.

Ett team av forskare från Tokyo Tech, leds av docent Pham Nam Hai, publicerade nyligen en studie i Journal of Applied Physics på enkelriktad spin Hall magnetoresistance (USMR), ett spin-relaterat fenomen som skulle kunna användas för att utveckla MRAM-celler med en extremt enkel struktur. Spin Hall-effekten leder till ackumulering av elektroner med ett visst spinn på sidorna av ett material. Spin Hall-effekten, som är särskilt stark i material som kallas topologiska isolatorer, kan resultera i en gigantisk USMR genom att kombinera en topologisk isolator med en ferromagnetisk halvledare.

När elektroner med samma spinn ackumuleras på gränsytan mellan de två materialen, på grund av spin Hall-effekten (fig. 1), spinnen kan injiceras i det ferromagnetiska lagret och vända dess magnetisering, möjliggör minnesskrivoperationer, vilket innebär att data i lagringsenheter kan skrivas om. På samma gång, motståndet hos kompositstrukturen ändras med magnetiseringens riktning på grund av USMR-effekten. Resistans kan mätas med hjälp av en extern krets, möjliggör minnesläsoperationer där data kan läsas med samma strömväg som skrivoperationen. I befintlig materialkombination som använder konventionella tungmetaller för spin Hall-effekten, dock, förändringarna i resistens som orsakas av USMR-effekten är extremt låga – långt under 1 procent – ​​vilket hindrar utvecklingen av MRAM med denna effekt. Dessutom, mekanismen för USMR-effekten verkar variera beroende på kombinationen av material som används, och det är inte klart vilken mekanism som kan utnyttjas för att höja USMR till över 1 procent.

För att förstå hur materialkombinationer kan påverka USMR-effekten, forskarna designade en sammansatt struktur bestående av ett lager av galliummanganarsenid (GaMnAs, en ferromagnetisk halvledare) och vismutantimonid (BiSb, en topologisk isolator). Med denna kombination, de fick ett gigantiskt USMR-förhållande på 1,1 procent. Särskilt, resultaten visade att utnyttjande av två fenomen i ferromagnetiska halvledare, magnonspridning och spin-störningsspridning, kan leda till ett enormt USMR-förhållande, vilket gör det möjligt att använda detta fenomen i verkliga tillämpningar. Dr Hai säger, "Vår studie är den första som visar att det är möjligt att få en USMR-kvot som är större än 1 procent. Detta är flera storleksordningar högre än de som använder tungmetaller för USMR. Dessutom, våra resultat ger en ny strategi för att maximera USMR-förhållandet för praktiska enhetstillämpningar."

Denna studie kan spela en nyckelroll i utvecklingen av spintronik. Konventionell MRAM-struktur kräver cirka 30 ultratunna lager, vilket är väldigt utmanande att göra. Genom att använda USMR för avläsningsoperationer, endast två lager behövs för minnescellerna. "Ytterligare materialteknik kan ytterligare förbättra USMR-förhållandet, vilket är väsentligt för USMR-baserade MRAMs med en extremt enkel struktur och snabb läsning. Vår demonstration av en USMR-kvot över 1 procent är ett viktigt steg mot detta mål, " avslutar Dr Hai.