新材料组合带来更强大电子“自旋”

新材料组合带来更强大电子“自旋”。

近日，东京工业大学的科学家们公布了一种新材料组合，为基于“自旋”的磁随性存取存储器奠定了基础，自旋是电子的一种内在特性。这项创新能够超越现有的存储设备。这项研究成果提出了一种开发拓扑材料中与自旋相关现象的新颖策略，同时可以激励自旋电子领域的多项发展。

在自旋电子学是一个现代科技行业，其中电子自旋或电子角动量发挥着主要的作用。实际上，在现代电子学中广泛使用的磁力材料，正是因为集体自旋阵列才具有奇异特性。自旋电子学(Spintronics)，也称磁电子学。它利用电子的自旋和磁矩，使固体器件中除电荷输运外，还加入电子的自旋和磁矩，是一门新兴的学科和技术。应用于自旋电子学的材料，需要具有较高的电子极化率，以及较长的电子自旋弛豫时间。

人们经常将电子自旋类比于地球自转。地球自转时产生自转角动量，自旋也有角动量，并且，因为电子携带负电荷，电荷转动会形成电流，电子自转的效应便相当于一个小电流圈，小电流圈的效果又相当于一个具有南极北极的小磁铁。

研究人员在尝试操作特定材料中的自旋相关特性，尤其是在非易失性存储器中。在功耗和速度方面，磁性非易失性存储器（MRAM）具有超越当前半导体存储器技术的潜力。MRAM(Magnetic Random Access Memory)是一种非易失性(Non-Volatile)的磁性随机存储器。它拥有静态随机存储器（SRAM）的高速读取写入能力，以及动态随机存储器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入。关掉电源后，MRAM仍可以保持记忆完整，中央处理器读取资料时，不一定要从头开始，随时可用相同的速率从内存的任何位置读写信息，具有永久性。

自旋随机储存器的应用前景并不局限于传统的计算机存储体系，还能够扩展到其他诸多领域，甚至有望成为通用存储器(Universal Memory)。例如，在发动机控制模块采用磁随机储存器以保证数据在断电情况下不丢失。鉴于磁性存储具有抗辐射的优势，在A350的飞行控制系统中采用MRAM以防止射线造成数据破坏。

与传统的RAM存储器不同，磁性随机存取存储器（Magnetoresistive Random Access Memory，缩写为MRAM）中的数据不作为电荷或电流流动存储，而是由磁存储元件存储。这些元件由两个铁磁性板形成，每个铁磁板可以保持由薄的绝缘层分开的磁化。两个板之一是设置为特定极性的永磁体；另一个板的磁化可以改变以匹配外部磁场的磁化来存储存储器。这种配置被称为磁性隧道结，是磁性随机存取存储器位的最简单的结构。存储设备由这样的“单元”的网格构建。

由东京工业大学副教授Pham Nam Hai领导的研究团队在最新一期的《应用物理学》杂志上发表了有关单向自旋霍尔磁阻（USMR）的研究，这是一种自旋相关现象，可用于开发极简结构的磁性非易失性存储器单元。

自旋霍尔效应导致具有特定自旋的电子在材料侧面积聚。这种效应在拓扑绝缘体中尤为强烈。将拓扑绝缘体与铁磁半导体相结合，自旋霍尔效应能够形成巨大的单向自旋霍尔磁阻（USMR）效应。自旋霍尔效应简单说来就是在横向电场的作用下，纵向产生自旋流的效应。这是由于自旋轨道的相互作用使电荷流和自旋流产生耦合（自旋和轨道间的耦合作用会对不同自旋的电子产生不同的偏转作用），从而导致了自旋霍尔效应。

拓扑绝缘体是近几年发现的一种全新量子物质态，它在能带的拓扑序上和传统绝缘体是不同的。在拓扑绝缘体块材内部它是存在带隙的绝缘体，但在材料的表面和边界却是受时间反演不变性保护的稳定金属态。其能带结构表现为存在“狄拉克锥”，即能带有上下锥形相连的结构，处于锥边缘态的电子自旋会呈现涡旋排列，形成所谓自旋流并在磁场下表现出自旋霍尔效应。

实验上第一次观测到自旋霍尔效应是在2004年，人们同时在半导体中分别利用磁光克尔效应和自旋发光二极管观测到了自旋霍尔效应。Kato等利用磁光克尔效应在半导体GaAs的两个不同边缘观察到了极化方向相反的自旋，Wunderlich等利用自旋发光二极管同样在不同的界面观察到了相反极化方向的自旋。

具有相同自旋的电子在两种材料之间的界面聚集，由于自旋霍尔效应，旋转可以注入铁磁层，并且可以翻转磁化，实现内存写入操作，也意味着存储器中的信息可以被重写。与此同时，由于自旋霍尔磁阻效应，复合结构的阻力会随着磁化方向的变化而改变。利用外部电路可以测出阻力，实现内存读取操作，其中的数据可以通过写入操作的相同电流路径进行读取。

现有的材料组合在自旋霍尔效应中常使用传统的重金属。可是，单向自旋霍尔磁阻（USMR）效应产生的阻力变化极低——远低于1%，这阻碍了利用这一效应的磁性非易失性存储器（MRAM）的发展。除此之外，单向自旋霍尔磁阻效应的原理似乎是随着所用材料组合的变化而变化。而目前还不清楚，哪种原理可用来将USMR效应提高到1%以上。为了解材料组合如何影响USMR效应，研究人员设计了一个由砷化镓锰层（铁磁半导体）和铋锑（拓扑绝缘体）化物层组成的复合结构。

通过这样的组合，研究人员实现了一个较高的USMR比率1.1%。研究结果显示利用铁磁半导体中的两种现象：磁振子散射和自旋无序散射，能够产生很高的USMR比率，因此在实际的应用中就可能利用这一现象。Hai博士表示：“我们的研究首次证明了USMR效应数值有可能超过1%。这要比在使用重金属的USMR数值高出好几个数量级。此外，我们的研究结果为最大化实际设备的USMR比率提供了一种新策略。”

这项研究在自旋电子学的发展中发挥了重要的作用。传统磁性非易失性存储器（MRAM）结构需要大约30个超薄材料层，制作的过程非常有挑战性。而利用单向自旋霍尔磁阻（USMR）效应进行读出操作，内存单元只需要两层。

Hai博士总结道：“下一步的材料工程可能会进一步地提升USMR比率，它对于可快速读取、且结构极简、基于USMR效应的磁性非易失性存储器（MRAM）来说必不可少的。我们验证了USMR比率超过1%，朝这一目标迈进了重要的一步。”

编译自物理学组织网

（责任编辑 姜懿翀）