Utat nyitva a spintronikus RAM-ok számára: mélyebb áttekintés egy erőteljes spin-jelenségben

A Tokiói Műszaki Intézet (Tokyo Tech) tudósai egy új anyagkombinációt fedeznek fel, amely megalapozza a mágneses véletlen hozzáférésű memóriák színterét, amelyek a spinre - az elektronok belső tulajdonságára - támaszkodnak, és felülmúlhatják az áramtároló eszközöket. Egy új tanulmányban közzétett áttörésük új stratégiát ír le a spin-jelenségek topológiai anyagokban történő kiaknázására, amely számos előrelépést ösztönözhet a spin-elektronika területén. Sőt, ez a tanulmány további betekintést nyújt a spin-jelenségek mögöttes mechanizmusába.

A spintronika egy modern technológiai terület, ahol az elektronok "spinje" vagy szögletessége elsődleges szerepet játszik az elektronikus eszközök működésében. Valójában a modern elektronikában általánosan használt mágneses anyagok furcsa tulajdonságainak oka a kollektív centrifugálás. A kutatók világszerte megpróbálták manipulálni bizonyos anyagokban a centrifugáláshoz kapcsolódó tulajdonságokat, számtalan alkalmazásnak köszönhetően olyan eszközökön, amelyek ezen a jelenségen dolgoznak, különösen a nem felejtő memóriákban. Ezeknek a mágneses nem felejtő memóriáknak, az úgynevezett MRAM-nak, az energiafogyasztás és a sebesség szempontjából felülmúlhatjuk a jelenlegi félvezető memóriákat.

A Tokyo Tech kutatócsoportja, az Assoc. Pham Nam Hai professzor a napokban publikált egy tanulmányt a Journal of Applied Physics-ben az egyirányú spin Hall-mágneses ellenállásról (USMR), amely egy spin-kapcsolódó jelenség, amely felhasználható rendkívül egyszerű szerkezetű MRAM-sejtek kifejlesztésére. A spin Hall-effektus elektronok felhalmozódásához vezet egy bizonyos spin mellett az anyag oldaloldalain. A tanulmány mögött az állt, hogy a spin Hall-effektus, amely különösen erős a "topológiai szigetelőként" ismert anyagokban, óriási USMR-t eredményezhet egy topológiai szigetelő és egy ferromágneses félvezető kombinálásával.

Alapjában véve, amikor az azonos spinű elektronok felhalmozódnak a két anyag közötti határfelületen, a spin Hall-effektusnak köszönhetően a centrifugák befecskendezhetők a ferromágneses rétegbe és megfordíthatják annak mágnesezettségét, lehetővé téve a "memóriaírási műveleteket", ami az tárolóeszközökben "újraírható". Ugyanakkor az összetett szerkezet ellenállása a mágnesezés irányával változik az USMR-hatás következtében. Mivel az ellenállás külső áramkörrel mérhető, ez lehetővé teszi a "memóriaolvasási műveleteket", amelyekben az adatok ugyanazon az útvonalon olvashatók az írási művelettel. A spin-Hall-effektushoz hagyományos nehézfémeket alkalmazó meglévő anyagkombinációkban azonban az USMR-hatás által okozott rezisztencia-változások rendkívül alacsonyak - jóval 1% alatt vannak -, ami gátolja ezt a hatást kihasználó MRAM-ok fejlődését. Ezenkívül az USMR hatás mechanizmusa a felhasznált anyag kombinációjától függően változni látszik, és nem világos, hogy melyik mechanizmust lehet kihasználni az USMR 1% feletti növelésére.

Annak megértése érdekében, hogy az anyagkombinációk hogyan befolyásolhatják az USMR-hatást, a kutatók olyan összetett szerkezetet terveztek, amely gallium-mangán-arzén-réteget (GaMnAs, ferromágneses félvezető) és bizmut-antimonidot (BiSb, topológiai szigetelő) tartalmaz. Érdekes módon ezzel a kombinációval sikerült elérniük az óriási, 1,1% -os USMR arányt. Az eredmények azt mutatták, hogy a "magnon-szórásnak" és a "spin-zavar-szórásnak" nevezett jelenségek ferromágneses félvezetőkben való felhasználása óriási USMR-arányhoz vezethet, lehetővé téve ennek a jelenségnek a valós alkalmazásokban történő felhasználását. Dr. Hai kifejti: "Vizsgálatunk elsõként bizonyítja, hogy lehet 1% -nál nagyobb USMR arányt elérni. Ez több nagyságrenddel magasabb, mint azoknál, amelyek nehézfémeket használnak az USMR-hez. Ezenkívül eredményeink új stratégia az USMR arány maximalizálására a gyakorlati eszközalkalmazásoknál. "

Ez a tanulmány kulcsszerepet játszhat a spintronika fejlesztésében. A hagyományos MRAM-struktúrához körülbelül 30 ultravékony rétegre van szükség, amelyet nagyon nehéz elkészíteni. Az USMR felhasználásával a kiolvasáshoz csak két rétegre van szükség a memória cellákhoz. "A további anyagtervezés tovább javíthatja az USMR arányt, ami elengedhetetlen az USMR-alapú, rendkívül egyszerű felépítésű és gyors leolvasású MRAM-okhoz. Az 1% feletti USMR-arány bemutatása fontos lépés e cél felé" - összegzi Dr. Hai.