La realizzazione della commutazione della magnetizzazione guidata dalla coppia spin-orbita a temperatura ambiente in eterostrutture topologiche isolante-ferromagnete ha applicazioni promettenti in memorie e dispositivi logici a basso consumo energetico e ad alta densità di integrazione.

La commutazione della magnetizzazione indotta dalla corrente mediante coppia spin-orbita (SOT) è un ingrediente importante per i moderni dispositivi magnetici non volatili come le memorie magnetiche ad accesso casuale e i dispositivi logici necessari per l'archiviazione e l'elaborazione di dati ad alte prestazioni. Come tale, ricercatori di tutto il mondo sono attivamente alla ricerca di nuovi modi per ridurre l'attuale elevata densità di corrente di commutazione al fine di ottenere una commutazione della magnetizzazione guidata da SOT altamente efficiente. I ricercatori della National University of Singapore (NUS) hanno recentemente compiuto un significativo passo avanti in questo campo di ricerca.

Guidato dal Professore Associato Yang Hyunsoo del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica, il team di ricerca NUS ha, per la prima volta, ha dimostrato con successo la commutazione della magnetizzazione a temperatura ambiente guidata da SOT giganti in eterostrutture con isolante topologico/ferromagnete convenzionale (Bi2Se3/NiFe) con una densità di corrente estremamente bassa, che può affrontare il problema della scalabilità e dell'elevato consumo energetico necessari nei moderni dispositivi spintronici.

I risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Comunicazioni sulla natura l'8 novembre 2017.

Assoc Prof Yang ha detto, "I nostri risultati possono risolvere l'ostacolo fondamentale di un'elevata corrente di commutazione nelle attuali applicazioni SOT basate su metalli pesanti, e questo è un grande passo avanti verso applicazioni di dispositivi spintronici basati su isolanti topologici a temperatura ambiente con dissipazione di potenza ultrabassa e alta densità di integrazione. Riteniamo che il nostro lavoro rinvigorirà notevolmente le attività di ricerca globale basate su isolanti topologici provenienti da diverse discipline".

Impiegare nuova materia quantistica:isolanti topologici

Gli isolanti topologici sono materiali elettronici che hanno una banda proibita di massa come un normale isolante, ma supportano ancora gli stati di conduzione sulla loro superficie, possedere un forte accoppiamento spin-orbita e stati di superficie topologici spin-momentum-locked (TSS), su cui sono fortemente bloccate le direzioni del momento dell'elettrone e della polarizzazione di spin.

"A causa delle proprietà bloccate dallo spin-momento, mentre la corrente di carica scorre nel TSS, tutti gli spin degli elettroni saranno completamente polarizzati in una direzione perpendicolare alla direzione dell'elettrone in movimento. Perciò, negli isolanti topologici ci si aspetta una generazione di corrente di spin molto efficiente e quindi una gigantesca efficienza SOT." ha spiegato il dott. Zhu Dapeng, che è co-primo autore dello studio e Research Fellow presso il Dipartimento.

Sfruttare il TSS è fondamentale per realizzare dispositivi SOT basati su isolanti topologici ad alte prestazioni. Però, in isolanti topologici tipici come Bi2Se3, gli stati di massa parassiti e il gas di elettroni bidimensionale possono contaminare e/o eliminare l'elevata efficienza SOT in TSS. Per superare questo, il team di ricerca ha identificato l'effetto SOT dominato da TSS in film Bi2Se3 ultrasottili (≤ 8 nm), esibendo una grande efficienza SOT fino a 1,75 a temperatura ambiente, che è molto più grande dei valori di ~0,01–0,3 nei metalli pesanti usati convenzionali.

Dispositivi basati su isolanti topologici ad alte prestazioni per l'archiviazione e l'elaborazione di dati

Nei tradizionali dispositivi SOT di metalli pesanti (come Pt ​​o Ta)/ferromagneti, la densità di corrente richiesta per la commutazione della magnetizzazione è ancora elevata, nell'ordine di ~107–108 A/cm2, che ne ostacola l'uso in applicazioni SOT ad alte prestazioni.

Il team ha dimostrato l'elevata efficienza di commutazione della magnetizzazione indotta dalla corrente a temperatura ambiente utilizzando l'isolante topologico Bi2Se3 (8 nm), che può essere coltivato su scala wafer utilizzando l'epitassia a fascio molecolare (MBE), con un convenzionale ferromagnete 3-D NiFe (6 nm), che è ampiamente utilizzato in vari settori.

"Il nostro lavoro presenta con successo una significativa riduzione della densità di corrente di commutazione per la commutazione della magnetizzazione utilizzando il gigantesco effetto SOT in Bi2Se3. Il valore è di circa 6×105 A/cm2, che è quasi due ordini di grandezza più piccola di quella dei metalli pesanti. Questa è una pietra miliare importante per le applicazioni dei dispositivi SOT a bassissimo consumo energetico e ad alta densità di integrazione. Inoltre, i nostri dispositivi funzionano in modo robusto a temperatura ambiente, che supera il limite della temperatura di lavoro ultrabassa nel precedente dispositivo TI." ha affermato il dott. Wang Yi del Dipartimento, chi è l'altro co-primo autore dello studio.

"Il nostro schema di commutazione della magnetizzazione non richiede un campo magnetico ausiliario. Ciò rende i sistemi di materiale isolante/ferromagnete topologici facili da integrare nella consolidata tecnologia industriale per dispositivi magnetici, " ha aggiunto Assoc Prof Yang.

Andando avanti, Assoc Prof Yang e il suo team stanno conducendo esperimenti per ridurre ulteriormente la corrente di commutazione perfezionando ulteriormente i materiali e le strutture dei sistemi, e stanno anche progettando di incorporare e testare la tecnologia nei dispositivi di memoria magnetica di base. Il team spera di lavorare con i partner del settore per esplorare ulteriormente varie applicazioni con questo nuovo sistema di materiali.