（文章來源：環球創新智慧）

據日本東京工業大學官網近日報道，該校科學家們開發出一款新的材料組合，它為磁隨機存取存儲器鋪平了道路。這種存儲器依賴電子的自旋特性，可超越目前的存儲器件。自旋電子學是一個現代技術領域。在該領域中，電子的“自旋”或者角動量在電子器件中扮演著主要角色。

實際上，共同的自旋排列是磁性材料奇異特性的原因，它們在現代電子器件中廣泛使用。基于這種現象的器件具有各種各樣的應用，特別是非易失性存儲器，全世界的研究人員們一直在嘗試操控特定材料中的自旋相關特性。這些磁性非易失性存儲器，也稱為“MRAM”，有望在功耗和速度方面超越目前的半導體存儲器。

近日，日本東京工業大學（Tokyo Tech）的科學家們開發出一款新的材料組合，它為磁隨機存取存儲器鋪平了道路。這種存儲器依賴自旋（電子的一種內稟特性），可超越目前的存儲器件。他們在一項新研究中發表了他們的突破，描述了一種利用拓撲材料中自旋相關現象的新方案，將促進自旋電子領域取得幾項進展。此外，這項研究為自旋相關現象的潛在機制提供了額外的洞察。

東京工業大學的領導研究團隊，在 Pham Nam Hai 副教授的領導下，近日在《（應用物理學雜志）Journal of Applied Physics》上發表了一項關于單向自旋霍爾磁阻（USMR）的研究。這是一種自旋相關的現象，可用于開發結構極其簡單的磁性隨機存儲器（MRAM）單元。

自旋霍爾效應會導致具有特定自旋的電子聚積在材料側面。這項研究背后的動機是自旋霍爾效應，這種效應在所謂的“拓撲絕緣體”材料中特別強烈，拓撲絕緣體與鐵磁性半導體相結合，可生成巨大的USMR。

基本上，當具有同樣自旋的電子在兩種材料的界面上聚積時，由于自旋霍爾效應，自旋可被注入到鐵磁性層中，并翻轉其磁化強度，從而進行“存儲器寫操作”，這意味著存儲器件中的數據可被“重寫”。與此同時，由于USMR效應，復合結構的電阻可根據磁化強度的方向發生改變。因為電阻可采用外部電路測量，從而可進行“存儲器讀操作”，該操作采用與寫操作同樣的電流路徑讀取數據。

然而，在采用傳統重金屬實現自旋霍爾效應的現有材料組合中，由USMR效應引起的電阻變化極低（低于1%），從而阻礙了利用這一效應開發MRAM。此外，USMR效應的機制似乎根據采用的材料組合的變化而變化，并且尚不清楚利用哪種機制可提升USMR，使之超過1%。

為了搞清楚材料組合是如何影響USMR效應的，研究人員們設計了一種由一層砷化鎵錳（GaMnAs，一種鐵磁性半導體）和一層銻化鉍（BiSb，一種拓撲絕緣體）組成的復合結構。有意思的是，他們通過這種組合，成功獲取到了巨大的USMR比率，達到1.1%。

特別是，這項成果表明，利用鐵磁性半導體中出現的“磁振子散射（magnon scattering）”和“自旋無序散射（spin-disorder scattering）”現象，可以實現巨大的USMR比率，從而有可能在現實世界中利用這一現象。Hai 博士詳盡闡述道：“我們的研究首次演示了有可能獲取超過1%的USMR比率，它比用重金屬實現的USMR高幾個數量級。此外，我們的成果為最大化實用器件的USMR比率提供了一種新方案。”

這項研究在自旋電子器件的開發中扮演著重要角色。傳統的MRAM結構需要約30個超薄層，非常難以實現。通過利用USMR進行讀出操作，存儲單元僅需要兩層。Hai 博士總結道：“更深入的材料工程將進一步改善USMR比率，這個比率對于實現結構極其簡單和高速讀取的USMR基MRAM來說是必不可少的。我們所演示的超過1%的USMR比率，朝著這一目標邁出了重要一步。”
? ? ? ?（責任編輯：fqj）