东京工业大学（Tokyo Tech）的科学家们报告了一种新的材料组合，它为基于自旋的磁性随机存取存储器（RAM）奠定了基础。这项创新可能会让目前的存储设备取得巨大进步。
自旋是电子的固有属性。在一项新研究中，他们提出了一种使用拓扑材料中相关电子自旋现象的新策略，这可能推动自旋电子学领域的多项进展。此外，这项研究还进一步探索了自旋现象的基本机制。
自旋电子学是一个新兴的领域，它主要涉及电子的自旋和电子角动量。事实上，现代电子技术中广泛使用的磁性材料，就是因为电子自旋阵列使其具有了奇特特性。研究人员一直试图操纵某些材料的自旋相关特性，特别是用于非易失性存储器的材料。磁性非易失性存储器 (MRAM) 在功耗和速度方面有超越当前半导体存储器技术的潜力。
图 | 拓扑绝缘体 (TI) 材料的自旋注入会逆转铁磁 (FM) 材料的磁化，这就是 “写” 操作。此外，自旋注入还可以改变材料的整体电阻，所以外部电路可以感知这些电阻，这就是 “读”操作（来源：应用物理学杂志）
由东京工业大学 Pham Nam Hai 副教授领导的一组研究人员，最近在《应用物理学杂志》(Journal of Applied Physics)上发表了一项关于单向自旋霍尔磁阻 (USMR) 的研究。自旋霍尔效应会导致具有特定自旋的电子在材料的侧面聚集，它在拓扑绝缘体材料中表现得尤为强烈。将拓扑绝缘体与铁磁半导体结合在一起，自旋霍尔效应可以产生巨大的单向自旋霍尔磁阻。
当自旋相同的电子聚集在两种材料之间的界面时，由于自旋霍尔效应，自旋可以注入到铁磁层并发生磁化翻转，实现内存的写入操作，这意味着在存储设备中可以重写数据。同时，由于 USMR 效应，复合材料的电阻随磁化方向的变化而变化。这时使用外部电路可以测量电阻，实现内存的读取操作。在这个过程中，数据可以使用与写入操作相同的电流路径读取。
然而，现有材料组合使用传统的重金属作为自旋霍尔效应的材料，使得由 USMR 效应引起的电阻变化是非常低的，远低于 1%。这阻碍了利用这种效应的 MRAM 的发展。此外，USMR 效应的机制似乎因材料的组合而异，目前还不清楚哪种机制可以将 USMR 效应提高到 1% 以上。
为了了解材料组合如何影响 USMR 效应，研究人员设计了一种由镓锰砷化物 (一种铁磁半导体) 和锑化铋 (一种拓扑绝缘体) 组成的复合结构层。通过这种组合，他们实现了 1.1% 的 USMR 效率。结果显示，利用铁磁半导体中的磁振子散射和自旋无序散射两种现象，都可以得到很好的 USMR 效率，这也使得这一研究在实际应用中成为可能。Hai 博士说：“我们的研究首次证明，USMR 效率有可能超过 1%。这比使用重金属的 USMR 效率要高几个数量级。此外，我们的结果提供了一种新的策略，以最大限度地提高实际设备的 USMR 应用效率。
本研究对自旋电子学的发展具有重要意义。传统的 MRAM 结构需要大约 30 层超薄层，这是非常具有挑战性的。通过使用 USMR 效应进行读取操作，只需要两层存储单元。Hai 博士总结说：“进一步的材料工程研究可能会进一步提高 USMR 效率，这对于结构极其简单、读取速度极快的基于 USMR 的 MRAMs 来说是至关重要的。我们的研究成果是朝着这个目标迈出的重要一步。”
（原文发表于：PHYS;参考链接：Paving the way for spintronic RAMs: A deeper look into a powerful spin phenomenon;DeepTech深科技编译；责编：Demi Xia）
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