Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) rapporteren een nieuwe materiaalcombinatie die de weg vrijmaakt voor magnetisch willekeurig toegankelijk geheugen op basis van spin, een intrinsieke eigenschap van elektronen. De innovatie zou beter kunnen presteren dan de huidige opslagapparaten. Hun doorbraak, gepubliceerd in een nieuwe studie, beschrijft een nieuwe strategie om spin-gerelateerde fenomenen in topologische materialen te exploiteren en zou verschillende vorderingen op het gebied van spin-elektronica kunnen stimuleren. Bovendien, deze studie geeft aanvullend inzicht in het onderliggende mechanisme van spingerelateerde fenomenen.

Spintronica is een modern technologisch gebied waar de spin, of het impulsmoment, van elektronen een primaire rol speelt. In feite, collectieve spin-arrangementen zijn de reden voor de merkwaardige eigenschappen van magnetische materialen, die algemeen worden gebruikt in moderne elektronica. Onderzoekers hebben geprobeerd spin-gerelateerde eigenschappen in bepaalde materialen te manipuleren, vooral voor niet-vluchtig geheugen. Magnetisch niet-vluchtig geheugen, (MRAM) heeft het potentieel om beter te presteren dan de huidige halfgeleidergeheugentechnologie in termen van stroomverbruik en snelheid.

Een team van onderzoekers van Tokyo Tech, onder leiding van universitair hoofddocent Pham Nam Hai, publiceerde onlangs een studie in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde op unidirectionele spin Hall-magnetoweerstand (USMR), een spin-gerelateerd fenomeen dat zou kunnen worden gebruikt om MRAM-cellen te ontwikkelen met een uiterst eenvoudige structuur. Het spin Hall-effect leidt tot de ophoping van elektronen met een bepaalde spin aan de zijkanten van een materiaal. Het spin Hall-effect, die bijzonder sterk is in materialen die bekend staan ​​als topologische isolatoren, kan resulteren in een gigantische USMR door een topologische isolator te combineren met een ferromagnetische halfgeleider.

Wanneer elektronen met dezelfde spin zich ophopen op het grensvlak tussen de twee materialen, vanwege het spin Hall-effect (Fig. 1), de spins kunnen in de ferromagnetische laag worden geïnjecteerd en de magnetisatie ervan omdraaien, waardoor geheugenschrijfbewerkingen mogelijk zijn, wat betekent dat de gegevens op opslagapparaten kunnen worden herschreven. Tegelijkertijd, de weerstand van de composietstructuur verandert met de richting van de magnetisatie als gevolg van het USMR-effect. Weerstand kan worden gemeten met behulp van een extern circuit, waardoor geheugenleesbewerkingen mogelijk zijn waarin gegevens kunnen worden gelezen met hetzelfde huidige pad als de schrijfbewerking. In bestaande materiaalcombinaties met conventionele zware metalen voor het spin Hall-effect, echter, de veranderingen in weerstand veroorzaakt door het USMR-effect zijn extreem laag - ruim onder 1 procent - wat de ontwikkeling van MRAM met behulp van dit effect belemmert. In aanvulling, het mechanisme van het USMR-effect lijkt te variëren afhankelijk van de gebruikte combinatie van materiaal, en het is niet duidelijk welk mechanisme kan worden gebruikt om de USMR te verhogen tot meer dan 1 procent.

Om te begrijpen hoe materiaalcombinaties het USMR-effect kunnen beïnvloeden, ontwierpen de onderzoekers een composietstructuur bestaande uit een laag gallium-mangaanarsenide (GaMnAs, een ferromagnetische halfgeleider) en bismutantimonide (BiSb, een topologische isolator). Met deze combinatie, ze behaalden een gigantische USMR-ratio van 1,1 procent. Vooral, de resultaten toonden aan dat het benutten van twee fenomenen in ferromagnetische halfgeleiders, magnonverstrooiing en spin-stoornisverstrooiing, kan leiden tot een gigantische USMR-ratio, waardoor het mogelijk is om dit fenomeen in real-world toepassingen te gebruiken. Dr. Hai zegt, "Onze studie is de eerste die aantoont dat het mogelijk is om een ​​USMR-ratio van meer dan 1 procent te verkrijgen. Dit is enkele ordes van grootte hoger dan die welke zware metalen gebruiken voor USMR. Bovendien, onze resultaten bieden een nieuwe strategie om de USMR-ratio voor praktische apparaattoepassingen te maximaliseren."

Deze studie zou een sleutelrol kunnen spelen in de ontwikkeling van spintronica. Conventionele MRAM-structuur vereist ongeveer 30 ultradunne lagen, wat erg uitdagend is om te maken. Door USMR te gebruiken voor uitleesbewerkingen, voor de geheugencellen zijn slechts twee lagen nodig. "Verdere materiaaltechnologie kan de USMR-ratio verder verbeteren, wat essentieel is voor op USMR gebaseerde MRAM's met een uiterst eenvoudige structuur en snelle uitlezing. Onze demonstratie van een USMR-ratio van meer dan 1 procent is een belangrijke stap in de richting van dit doel, " concludeert Dr. Hai.