Вчені з Токійського технологічного інституту (Tokyo Tech) повідомляють про нову комбінацію матеріалів, яка створює основу для магнітної оперативної пам'яті, заснованої на спині, властивому електронам.
Інновація може перевершити сучасні пристрої зберігання даних. Їх прорив, опублікований в новому дослідженні, описує стратегію використання пов'язаних зі спином явищ в топологічних матеріалах і може стимулювати кілька досягнень в області спинової електроніки. Крім того, це дослідження дає додаткове розуміння основного механізму пов'язаних зі спином явищ.
Спінтроніка - це сучасна технологічна область, в якій спин, або момент імпульсу електронів, відіграє головну роль. Фактично, колективні спинові механізми є причиною цікавих властивостей магнітних матеріалів, які широко використовуються в сучасній електроніці.
Дослідники намагаються маніпулювати пов'язаними зі спином властивостями в певних матеріалах, особливо для енергонезалежної пам'яті. Магнітна енергонезалежна пам'ять (MRAM) може перевершити існуючу технологію напівпровідникової пам'яті з точки зору енергоспоживання і швидкості.
Команда дослідників з Tokyo Tech, нещодавно опублікувала в журналі прикладної фізики дослідження односпрямованого спін-холівського магнітосопротивлення (USMR), пов'язаного зі спином явища, яке можна використовувати для розробки MRAM з надзвичайно простою структурою.
Спиновий ефект Холла призводить до накопичення електронів з певним спином на бічних сторонах матеріалу. Спиновий ефект Холла, який особливо сильний в матеріалах, відомих як топологічні ізолятори, може призвести до гігантського USMR, комбінуючи топологічний ізолятор з ферромагнітним напівпровідником.
Коли електрони з однаковим спином накопичуються на кордоні розділу між двома матеріалами завдяки ефекту спинового Холу (на малюнку), спини можна інжектувати у ферромагнітний шар і перевертати його намагніченість, що дозволяє виконувати операції запису в пам'ять, що означає, що дані в пристроях зберігання можуть бути переписані.
Водночас опір композитної структури змінюється залежно від напрямку намагніченості завдяки ефекту USMR. Опір може бути вимірено з використанням зовнішнього ланцюга, що дозволяє виконувати операції читання з пам'яті, в яких дані можуть зчитуватися з використанням того ж шляху струму, що і операція запису.
Однак в існуючій комбінації матеріалів, в якій використовуються звичайні важкі метали для ефекту спинового Холу, зміни опору, викликані ефектом USMR, надзвичайно низькі - значно нижче 1 відсотка - що перешкоджає розвитку MRAM з використанням цього ефекту.
Крім того, механізм дії USMR, мабуть, варіюється залежно від комбінації використовуваного матеріалу, і неясно, який механізм можна використовувати для підвищення USMR до більш ніж 1 відсотка.
Щоб зрозуміти, як комбінації матеріалів можуть впливати на ефект USMR, дослідники розробили композитну структуру, що включає шар арсеніда галія-марганця (GaMnAs, ферромагнітний напівпровідник) і антимоніда вісмута (BiSb, топологічний ізолятор).
З цією комбінацією вони отримали коефіцієнт USMR 1,1 відсотка. Зокрема, результати показали, що використання двох явищ у ферромагнітних напівпровідниках, розсіювання магнонів і розсіянь спинів може призвести до гігантського співвідношення USMR, що дозволяє використовувати це явище в реальних додатках.
"Наше дослідження є першим, щоб продемонструвати, що можливо отримати співвідношення USMR, що перевищує 1 відсоток. Це на кілька порядків вище, ніж у тих, які використовують важкі метали для USMR. Крім того, наші результати дають нову стратегію максимізації співвідношення USMR для практичних застосувань пристроїв "- кажуть вчені.
Дослідження може зіграти ключову роль у розвитку спинтроніки. Звичайна структура MRAM вимагає близько 30 ультратонких шарів, що дуже складно зробити. Якщо користуватися USMR для зчитування, лише два шари потрібні для комірок пам'яті.
"Подальше проектування матеріалів може ще більше поліпшити коефіцієнт USMR, який необхідний для MRAM на основі USMR з надзвичайно простою структурою і швидким зчитуванням. Наша демонстрація ставлення USMR понад 1 відсоток є важливим кроком до досягнення цієї мети ", - підсумовують дослідники.