Realisatie van kamertemperatuur spin-orbit koppelgestuurde magnetisatie-omschakeling in topologische isolator-ferromagneet heterostructuren heeft veelbelovende toepassingen in geheugens en logische apparaten met een laag stroomverbruik en hoge integratiedichtheid.

De stroomgeïnduceerde magnetisatie-omschakeling door spin-orbittorsie (SOT) is een belangrijk ingrediënt voor moderne niet-vluchtige magnetische apparaten zoals magnetische willekeurige toegangsgeheugens en logische apparaten die nodig zijn voor hoogwaardige gegevensopslag en computergebruik. Als zodanig, onderzoekers over de hele wereld zijn actief op zoek naar nieuwe manieren om de huidige hoge schakelstroomdichtheid te verminderen om een ​​zeer efficiënte SOT-gestuurde magnetisatieschakeling te bereiken. Onderzoekers van de National University of Singapore (NUS) hebben onlangs een belangrijke doorbraak bereikt op dit onderzoeksgebied.

Onder leiding van universitair hoofddocent Yang Hyunsoo van de afdeling Electrical and Computer Engineering, het NUS-onderzoeksteam heeft, Voor de eerste keer, met succes gedemonstreerde omschakeling van magnetisatie bij kamertemperatuur aangedreven door gigantische SOT's in topologische isolator/conventionele ferromagneet (Bi2Se3/NiFe) heterostructuren met een extreem lage stroomdichtheid, die het probleem van schaalbaarheid en hoog stroomverbruik kan aanpakken dat nodig is in moderne spintronische apparaten.

De bevindingen zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie op 8 november 2017.

Assoc Prof Yang zei:"Onze bevindingen kunnen het fundamentele obstakel van een hoge schakelstroom in de huidige op zware metalen gebaseerde SOT-toepassingen oplossen, en dit is een grote stap in de richting van op kamertemperatuur topologische isolator gebaseerde spintronische apparaattoepassingen met ultralage vermogensdissipatie en hoge integratiedichtheid. We geloven dat ons werk een grote impuls zal geven aan topologische isolatorgebaseerde wereldwijde onderzoeksactiviteiten uit verschillende disciplines."

Gebruikmakend van nieuwe kwantummaterie:topologische isolatoren

Topologische isolatoren zijn elektronische materialen met een bulkband gap zoals een gewone isolator, maar ondersteunen nog steeds geleidende staten op hun oppervlak, met een sterke spin-baankoppeling en spin-momentum-locked topologische oppervlaktetoestanden (TSS), waarop het elektronenmomentum en de spinpolarisatierichtingen sterk vergrendeld zijn.

"Vanwege spin-momentum-locked eigenschappen, als laadstroom vloeit in de TSS, alle elektronenspins zullen volledig gepolariseerd zijn in een loodrechte richting op de richting van het bewegende elektron. Daarom, een zeer hoog efficiënte spinstroomopwekking en dus een gigantische SOT-efficiëntie worden verwacht in topologische isolatoren." verklaarde Dr. Zhu Dapeng, die een co-eerste auteur van de studie is en een Research Fellow bij de afdeling.

Profiteren van TSS is cruciaal om op topologische isolator gebaseerde SOT-apparaten met hoge prestaties te realiseren. Echter, in typische topologische isolatoren zoals Bi2Se3, de parasitaire bulktoestanden en het tweedimensionale elektronengas kunnen de hoge SOT-efficiëntie in TSS verontreinigen en/of wegspoelen. Om dit te overwinnen, het onderzoeksteam heeft het door TSS gedomineerde SOT-effect geïdentificeerd in ultradunne Bi2Se3-films (≤ 8 nm), met een grote SOT-efficiëntie tot 1,75 bij kamertemperatuur, die veel groter is dan de waarden van ~ 0,01-0,3 in conventioneel gebruikte zware metalen.

Hoogwaardige topologische isolatorgebaseerde apparaten voor gegevensopslag en computergebruik

In de traditionele heavy metal (zoals Pt of Ta)/ferromagneet SOT-apparaten, de stroomdichtheid die nodig is voor de magnetisatieschakeling is nog steeds hoog, in de orde van ~107-108 A/cm2, die het gebruik ervan in hoogwaardige SOT-toepassingen belemmert.

Het team demonstreerde de zeer efficiënte stroomgeïnduceerde magnetisatieschakeling bij kamertemperatuur met behulp van topologische isolator Bi2Se3 (8 nm), die kan worden gekweekt op een wafelschaal met behulp van moleculaire bundelepitaxie (MBE), met een conventionele 3D ferromagneet NiFe (6 nm), die veel wordt gebruikt in verschillende industrieën.

"Ons werk presenteert met succes een significante reductie van de schakelstroomdichtheid voor de magnetisatieschakeling door gebruik te maken van het gigantische SOT-effect in Bi2Se3. De waarde is ongeveer 6 × 105 A / cm2, die bijna twee ordes van grootte kleiner is dan die van zware metalen. Dit is een belangrijke mijlpaal voor het ultralage stroomverbruik en de SOT-apparaattoepassingen met hoge integratiedichtheid. Bovendien, onze apparaten werken robuust bij kamertemperatuur, die de limiet van ultralage werktemperatuur in het vorige TI-apparaat doorbreekt, "zei Dr. Wang Yi van de afdeling, wie is de andere co-eerste auteur van de studie.

"Ons magnetisatie-schakelschema vereist geen assisterend magnetisch veld. Dit maakt de topologische isolator/ferromagneet-materiaalsystemen eenvoudig te integreren in de gevestigde industriële technologie voor magnetische apparaten, " voegde Assoc Prof Yang toe.

Vooruit gaan, Assoc Prof Yang en zijn team voeren experimenten uit om de schakelstroom verder te verminderen door de materialen en structuren van de systemen verder te verfijnen, en ze zijn ook van plan om de technologie op te nemen en te testen in magnetische kerngeheugenapparaten. Het team hoopt samen te werken met industriële partners om verschillende toepassingen met deze nieuwe materiaalsystemen verder te verkennen.