Spintronic-enheter är elektroniska enheter som använder elektronernas spinn (en inneboende form av vinkelmoment som elektronen besitter) för att uppnå höghastighetsbehandling och lågkostnadsdatalagring. I detta avseende är rotationsöverföringsvridmoment ett nyckelfenomen som möjliggör ultrasnabba spintroniska enheter med låg effekt. Nyligen har dock spin-orbit torque (SOT) dykt upp som ett lovande alternativ till spin-transfer vridmoment.
Många studier har undersökt ursprunget till SOT och visar att i icke-magnetiska material är ett fenomen som kallas spin Hall-effekten (SHE) nyckeln till att uppnå SOT. I dessa material är förekomsten av en "Dirac-band"-struktur, ett specifikt arrangemang av elektroner när det gäller deras energi, viktigt för att uppnå stor SHE. Detta beror på att Dirac-bandstrukturen innehåller "hot spots" för Berry-fasen, en kvantfasfaktor som är ansvarig för den inneboende SHE. Därför är material med lämpliga bärfas hot spots nyckeln till att konstruera SHE.
I detta sammanhang är materialet tantalsilicid (TaSi2 ) är av stort intresse eftersom den har flera Dirac-punkter nära Fermi-nivån i sin bandstruktur, lämplig för att utöva Berry phase engineering. För att visa detta undersökte ett team av forskare, ledda av docent Pham Nam Hai från institutionen för elektro- och elektronikteknik vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, nyligen påverkan av Dirac-bandets hotspots på temperaturberoendet hos HON i TaSi2 .
"Berry phase monopole engineering är en intressant forskningsväg eftersom den kan ge upphov till effektiva SOT-spintroniska enheter för hög temperatur som det magnetoresistiva slumpmässiga minnet", säger Dr Hai. Deras resultat publicerades i tidskriften Applied Physics Letters .
Genom olika experiment observerade teamet att SOT-effektiviteten hos TaSi2 förblev nästan oförändrad från 62 K till 288 K, vilket liknade beteendet hos konventionella tungmetaller. Men när temperaturen ökade ytterligare ökade plötsligt SOT-effektiviteten och nästan fördubblades vid 346 K. Dessutom ökade motsvarande SHE också på liknande sätt.
Noterbart var detta ganska annorlunda från beteendet hos konventionella tungmetaller och deras legeringar. Vid ytterligare analys tillskrev forskarna denna plötsliga ökning av SHE vid höga temperaturer till Berry-fasmonopoler.
"Dessa resultat ger en strategi för att förbättra SOT-effektiviteten vid höga temperaturer via Berry phase monopole engineering", säger Dr Hai.
Deras studie belyser potentialen hos Berry-fas monopolteknik för att effektivt använda SHE i icke-magnetiska material, och ger en ny väg för utveckling av högtemperatur-, ultrasnabba och lågeffekts SOT-spintroniska enheter.
Mer information: Ken Ishida et al, Enhanced spin Hall-effekt vid hög temperatur i icke-centrosymmetrisk silicid TaSi2 driven av Berry phase monopoles, Applied Physics Letters (2023). DOI:10.1063/5.0165333
Journalinformation: Tillämpade fysikbrev
Tillhandahålls av Tokyo Institute of Technology
