最新研究将有望带来功耗更低速度更快的存储器

（文章来源：环球创新智慧）

据日本东京工业大学官网近日报道，该校科学家们开发出一款新的材料组合，它为磁随机存取存储器铺平了道路。这种存储器依赖电子的自旋特性，可超越目前的存储器件。自旋电子学是一个现代技术领域。在该领域中，电子的“自旋”或者角动量在电子器件中扮演着主要角色。

实际上，共同的自旋排列是磁性材料奇异特性的原因，它们在现代电子器件中广泛使用。基于这种现象的器件具有各种各样的应用，特别是非易失性存储器，全世界的研究人员们一直在尝试操控特定材料中的自旋相关特性。这些磁性非易失性存储器，也称为“MRAM”，有望在功耗和速度方面超越目前的半导体存储器。

近日，日本东京工业大学（Tokyo Tech）的科学家们开发出一款新的材料组合，它为磁随机存取存储器铺平了道路。这种存储器依赖自旋（电子的一种内禀特性），可超越目前的存储器件。他们在一项新研究中发表了他们的突破，描述了一种利用拓扑材料中自旋相关现象的新方案，将促进自旋电子领域取得几项进展。此外，这项研究为自旋相关现象的潜在机制提供了额外的洞察。

东京工业大学的领导研究团队，在 Pham Nam Hai 副教授的领导下，近日在《（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。这是一种自旋相关的现象，可用于开发结构极其简单的磁性随机存储器（MRAM）单元。

自旋霍尔效应会导致具有特定自旋的电子聚积在材料侧面。这项研究背后的动机是自旋霍尔效应，这种效应在所谓的“拓扑绝缘体”材料中特别强烈，拓扑绝缘体与铁磁性半导体相结合，可生成巨大的USMR。

基本上，当具有同样自旋的电子在两种材料的界面上聚积时，由于自旋霍尔效应，自旋可被注入到铁磁性层中，并翻转其磁化强度，从而进行“存储器写操作”，这意味着存储器件中的数据可被“重写”。与此同时，由于USMR效应，复合结构的电阻可根据磁化强度的方向发生改变。因为电阻可采用外部电路测量，从而可进行“存储器读操作”，该操作采用与写操作同样的电流路径读取数据。

然而，在采用传统重金属实现自旋霍尔效应的现有材料组合中，由USMR效应引起的电阻变化极低（低于1%），从而阻碍了利用这一效应开发MRAM。此外，USMR效应的机制似乎根据采用的材料组合的变化而变化，并且尚不清楚利用哪种机制可提升USMR，使之超过1%。

为了搞清楚材料组合是如何影响USMR效应的，研究人员们设计了一种由一层砷化镓锰（GaMnAs，一种铁磁性半导体）和一层锑化铋（BiSb，一种拓扑绝缘体）组成的复合结构。有意思的是，他们通过这种组合，成功获取到了巨大的USMR比率，达到1.1%。

特别是，这项成果表明，利用铁磁性半导体中出现的“磁振子散射（magnon scattering）”和“自旋无序散射（spin-disorder scattering）”现象，可以实现巨大的USMR比率，从而有可能在现实世界中利用这一现象。Hai 博士详尽阐述道：“我们的研究首次演示了有可能获取超过1%的USMR比率，它比用重金属实现的USMR高几个数量级。此外，我们的成果为最大化实用器件的USMR比率提供了一种新方案。”

这项研究在自旋电子器件的开发中扮演着重要角色。传统的MRAM结构需要约30个超薄层，非常难以实现。通过利用USMR进行读出操作，存储单元仅需要两层。Hai 博士总结道：“更深入的材料工程将进一步改善USMR比率，这个比率对于实现结构极其简单和高速读取的USMR基MRAM来说是必不可少的。我们所演示的超过1%的USMR比率，朝着这一目标迈出了重要一步。”
       （责任编辑：fqj）