Гигантский эффект USMR открывает путь для спинтронной памяти

Сотрудники Токийского технологического института (Tokyo Tech) предложили новую комбинацию материалов для создания быстродействующей магнитной оперативной памяти, использующей спин — фундаментальную характеристику электрона.

Инновация, представленная в журнале Journal of Applied Physics, позволяет превзойти по производительности современные устройства хранения информации. В упомянутой публикации также рассматривается новая стратегия практического использования явлений, связанных со спином, таких как спиновый эффект Хола, в топологических материалах.

Благодаря спиновому эффекту Холла на границе раздела между двумя материалами накапливаются электроны с одинаковым спином. Их спин может внедряться в ферромагнитный слой и инвертировать его намагниченность, выполняя операцию записи.

В то же время, в зависимости от направления намагниченности изменяется сопротивление композитной структуры (однонаправленная магниторезистивность спинового эффекта Холла, USMR). Сопротивление может быть измерено с использованием внешней цепи, что позволяет выполнять операции чтения с использованием того же пути тока, что и в операциях записи.

Однако в существующей комбинации материалов, использующей обычные тяжелые металлы для получения спинового эффекта Холла, изменения сопротивления, вызванные USMR, чрезвычайно малы — значительно ниже 1 процента — что препятствует развитию MRAM с использованием этого эффекта.

Команда Tokyo Tech, которую возглавлял доцент Фам Нам Хай (Pham Nam Hai), разработала композитную структуру магниторезистивной памяти (MRAM), состоящую из слоёв арсенида галлия марганца (GaMnAs, ферромагнитный полупроводник) и антимонида висмута (BiSb, топологический изолятор). Для такой комбинации они получили гигантский эффект USMR, составивший 1,1% — на несколько порядков величины больше, чем при использовании тяжелых металлов.

Новое понимание того, как гигантский эффект USMR порождается совместным действием двух факторов — рассеяния магнонов и рассеяния спинового беспорядка в ферромагнитном полупроводнике — позволило исследователям разработать стратегию достижения максимального соотношения USMR в простых и практичных устройствах MRAM.

Традиционная структура ячеек MRAM состоит из примерно трёх десятков очень трудоёмких в изготовлении сверхтонких слоёв, но применение для записи-чтения USMR позволяет обойтись всего двумя слоями. «Дальнейшее проектирование материалов может ещё более улучшить соотношение USMR, что важно для создания на основе этого эффекта магниторезистивной памяти с чрезвычайно простой структурой и быстрым считыванием», — отметил в заключение доктор Хай.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365