Прокладывая путь к спинтронной RAM

Ученые из Токийского технологического института (Tokyo Tech) исследуют новую комбинацию материалов, создающую основу для магнитных запоминающих устройств с произвольным доступом, которые основываются на спине и могут превзойти современные запоминающие устройства. Их прорыв описывает новую стратегию использования связанных со спином явлений в топологических материалах, которая может стимулировать несколько достижений в области спиновой электроники. Кроме того, это исследование дает дополнительное понимание основного механизма связанных со спином явлений.

Спинтроника - это современная технологическая область, в которой спин электронов играет основную роль в функционировании электронных устройств. Фактически, коллективные спиновые схемы являются причиной любопытных свойств магнитных материалов, которые широко используются в современной электронике. Исследователи во всем мире пытаются манипулировать связанными со спином свойствами в определенных материалах из-за множества приложений в устройствах, которые работают на этом явлении, особенно в энергонезависимой памяти. Эти магнитные энергонезависимые запоминающие устройства, называемые MRAM, могут превзойти современные полупроводниковые запоминающие устройства с точки зрения энергопотребления и скорости.

Команда исследователей из Tokyo Tech, возглавляемая проф. Фам Нам Хай (Pham Nam Hai) недавно опубликовал в журнале «Прикладная физика» исследование однонаправленного спин-холловского магнитосопротивления (USMR), связанного со спином явления, которое можно использовать для создания ячеек MRAM с чрезвычайно простой структурой. Спиновый эффект Холла приводит к накоплению электронов с определенным спином на боковых сторонах материала. Мотивация этого исследования заключалась в том, что спиновый эффект Холла, который особенно силен в материалах, известных как «топологические изоляторы», может привести к гигантскому USMR при комбинации топологического изолятора с ферромагнитным полупроводником.

В основном, когда электроны с одинаковым спином накапливаются на границе раздела между двумя материалами, благодаря спиновому эффекту Холла, спины можно инжектировать в ферромагнитный слой и переворачивать его намагниченность, что позволяет выполнять «операции записи в память». Это означает данные в устройствах хранения можно «переписать». В то же время сопротивление композитной структуры изменяется с направлением намагниченности благодаря эффекту USMR. Поскольку сопротивление может быть измерено с использованием внешней цепи, это позволяет выполнять «операции чтения из памяти», при которых данные могут считываться с использованием того же пути тока, что и операция записи. Однако в существующей комбинации материалов, в которой используются обычные тяжелые металлы для спинового эффекта Холла, изменения сопротивления, вызванные эффектом USMR, чрезвычайно низки - значительно ниже 1% - что препятствует разработке MRAM с использованием этого эффекта. Кроме того, механизм действия USMR, по-видимому, варьируется в зависимости от комбинации используемого материала, и не ясно, какой механизм можно использовать для повышения USMR до уровня более 1%.

Чтобы понять, как комбинации материалов могут влиять на эффект USMR, исследователи разработали композитную структуру, включающую слой арсенида галлия-марганца (GaMnAs, ферромагнитный полупроводник) и антимонида висмута (BiSb, топологический изолятор). Интересно, что с этой комбинацией им удалось получить гигантский коэффициент USMR 1,1%. В частности, результаты показали, что использование явлений, называемых «рассеянием магнонов» и «рассеянием спинов» в ферромагнитных полупроводниках, может привести к гигантскому соотношению USMR, что делает возможным использование этого явления в реальных приложениях. Доктор Хай уточняет: «Наше исследование является первым, которое демонстрирует, что можно получить коэффициент USMR, превышающий 1%. Это на несколько порядков выше, чем у тех, которые используют тяжелые металлы для USMR. Кроме того, наши результаты дают новую стратегия максимизации соотношения USMR для практических применений устройств».

Это исследование может сыграть ключевую роль в развитии спинтроники. Обычная структура MRAM требует около 30 ультратонких слоев, что очень сложно сделать. При использовании USMR для операции считывания, только два слоя необходимы для ячеек памяти. «Дальнейшее проектирование материалов может еще больше улучшить соотношение USMR, что важно для MRAM на основе USMR с чрезвычайно простой структурой и быстрым считыванием. Наша демонстрация отношения USMR более 1% является важным шагом к достижению этой цели», - заключил доктор Хай.