Новый путь к спинтронной RAM

Ученые из Токийского технологического института (Tokyo Tech) сообщают о новой комбинации материалов, которая создает основу для магнитной оперативной памяти, основанной на спине, свойственном электронам.

Инновация может превзойти современные устройства хранения данных. Их прорыв, опубликованный в новом исследовании, описывает стратегию использования связанных со спином явлений в топологических материалах и 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, или момент импульса электронов, играет главную роль. Фактически, коллективные спиновые механизмы являются причиной любопытных свойств магнитных материалов, которые широко используются в современной электронике.

Исследователи пытаются манипулировать связанными со спином свойствами в определенных материалах, особенно для энергонезависимой памяти. Магнитная энергонезависимая память (MRAM) может превзойти существующую технологию полупроводниковой памяти с точки зрения энергопотребления и скорости.

Команда исследователей из Tokyo Tech, недавно опубликовала в журнале прикладной физики исследование однонаправленного спин-холловского магнитосопротивления (USMR), связанного со спином явления, которое можно использовать для разработки  MRAM с чрезвычайно простой структурой.

Спиновый эффект Холла приводит к накоплению электронов с определенным спином на боковых сторонах материала. Спиновый эффект Холла, который особенно силен в материалах, известных как топологические изоляторы, может привести к гигантскому USMR, комбинируя топологический изолятор с ферромагнитным полупроводником.

Когда электроны с одинаковым спином накапливаются на границе раздела между двумя материалами благодаря эффекту спинового Холла (на рисунке), спины можно инжектировать в ферромагнитный слой и переворачивать его намагниченность, что позволяет выполнять операции записи в память, что означает, что данные в устройствах хранения могут быть переписаны.

В то же время сопротивление композитной структуры изменяется в зависимости от направления намагниченности благодаря эффекту USMR. Сопротивление может быть измерено с использованием внешней цепи, что позволяет выполнять операции чтения из памяти, в 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 эффекта спинового Холла, изменения сопротивления, вызванные эффектом USMR, чрезвычайно низки — значительно ниже 1 процента — что препятствует развитию MRAM с использованием этого эффекта.

Кроме того, механизм действия USMR, по-видимому, варьируется в зависимости от комбинации используемого материала, и неясно, какой механизм можно использовать для повышения USMR до более чем 1 процента.

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).

С этой комбинацией они получили коэффициент USMR 1,1 процента. В частности, результаты показали, что использование двух явлений в ферромагнитных полупроводниках, рассеяния магнонов и рассеяний спинов может привести к гигантскому соотношению USMR, позволяющему использовать это явление в реальных приложениях.

«Наше исследование является первым, чтобы продемонстрировать, что возможно получить соотношение USMR, превышающее 1 процент. Это на несколько порядков выше, чем у тех, которые используют тяжелые металлы для USMR. Кроме того, наши результаты дают новую стратегию максимизации соотношения USMR для практических применений устройств» — говорят ученые.

Исследование может сыграть ключевую роль в развитии спинтроники. Обычная структура MRAM требует около 30 ультратонких слоев, что очень сложно сделать. При использовании USMR для операций считывания, только два слоя необходимы для ячеек памяти.

«Дальнейшее проектирование материалов может еще больше улучшить коэффициент USMR, который необходим для MRAM на основе USMR с чрезвычайно простой структурой и быстрым считыванием. Наша демонстрация отношения USMR более 1 процента является важным шагом к достижению этой цели», — заключают исследователи.

Nguyen Huynh Duy Khang et al, Giant unidirectional spin Hall magnetoresistance in topological insulator – ferromagnetic semiconductor heterostructures, Journal of Applied Physics (2019). DOI: 10.1063/1.5134728