Tabella 1: ? SH :angolo di Hall di rotazione, ? :conducibilità, ? SH :conducibilità di Hall di spin.
Le cifre nella riga inferiore sono quelle ottenute nel presente studio. Sorprendentemente, la conduttività di Hall di spin, mostrato nella colonna di destra, è di due ordini di grandezza maggiore del record precedente. Credito:Pham Nam Hai
Un gruppo di ricerca guidato da Pham Nam Hai presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica, Il Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) ha sviluppato la sorgente di corrente di spin pura più performante al mondo in leghe di bismuto-antimonio (BiSb), che segnalano come il miglior candidato per la prima applicazione industriale di isolatori topologici. Il risultato rappresenta un grande passo avanti nello sviluppo di dispositivi di memoria ad accesso casuale magnetoresistivo a coppia spin-orbita (SOT-MRAM) con il potenziale per sostituire le tecnologie di memoria esistenti.
Il team ha sviluppato film sottili di BiSb per un isolante topologico che ottiene contemporaneamente un colossale effetto Hall di spin e un'elevata conduttività elettrica. Il loro studio, pubblicato in Materiali della natura , potrebbe accelerare lo sviluppo dell'alta densità, potenza ultra bassa, e memorie non volatili ultraveloci per Internet of Things (IoT) e altre applicazioni che stanno diventando sempre più richieste per uso industriale e domestico.
I film sottili di BiSb raggiungono un angolo di spin Hall di circa 52, conducibilità di 2,5 x 10 5 e spin Hall conducibilità di 1.3×10 7 a temperatura ambiente. (Vedere la tabella 1 per un riepilogo delle prestazioni, comprese tutte le unità.) In particolare, la conducibilità di spin Hall è di due ordini di grandezza maggiore di quella del seleniuro di bismuto (Bi 2 Vedi 3 ), segnalato in Natura nel 2014.
Rendere SOT-MRAM una scelta praticabile
Fino ad ora, la ricerca di materiali di spin Hall adatti per dispositivi SOT-MRAM di prossima generazione ha presentato problemi:in primo luogo, metalli pesanti come platino, il tantalio e il tungsteno hanno un'elevata conduttività elettrica ma un piccolo effetto Hall di spin. Secondo, gli isolanti topologici finora studiati hanno un grande effetto Hall di spin ma una bassa conduttività elettrica.
I film sottili di BiSb soddisfano entrambi i requisiti a temperatura ambiente. Ciò solleva la reale possibilità che SOT-MRAM basata su BiSb possa superare l'attuale tecnologia MRAM di coppia di trasferimento di spin (STT).
"Poiché SOT-MRAM può essere commutato un ordine di grandezza più veloce di STT-MRAM, l'energia di commutazione può essere ridotta di almeno due ordini di grandezza, " dice Pham. "Inoltre, la velocità di scrittura potrebbe essere aumentata di 20 volte e la densità di bit aumentata di un fattore dieci."
La fattibilità di tali SOT-MRAM ad alta efficienza energetica è stata recentemente dimostrata in esperimenti, pur utilizzando metalli pesanti, condotta da IMEC, il polo internazionale di ricerca e sviluppo e innovazione con sede a Lovanio, Belgio.
Se ridimensionato con successo, La SOT-MRAM basata su BiSb potrebbe migliorare drasticamente le sue controparti a base di metalli pesanti e persino diventare competitiva con la memoria ad accesso casuale dinamico (DRAM), la tecnologia dominante di oggi.
Un attraente, materiale trascurato
BiSb è stato tendenzialmente trascurato dalla comunità di ricerca a causa del suo piccolo gap di banda e dei complessi stati di superficie. Però, Pham dice:"Dal punto di vista dell'ingegneria elettrica, BiSb è molto attraente grazie alla sua elevata mobilità dei vettori, che rende più facile guidare una corrente all'interno del materiale."
"Sapevamo che BiSb ha molti stati di superficie topologici, il che significa che potremmo aspettarci un effetto Hall di rotazione molto più forte. Ecco perché abbiamo iniziato a studiare questo materiale circa due anni fa".
I film sottili sono stati coltivati utilizzando un metodo ad alta precisione chiamato epitassia a fascio molecolare (MBE). I ricercatori hanno scoperto un particolare orientamento della superficie chiamato BiSb(012), che si pensa sia un fattore chiave dietro il grande effetto Hall di spin. Pham sottolinea che il numero di coni Dirac[6]0 sulla superficie BiSb(012) è un altro fattore importante, su cui la sua squadra sta ora indagando.
Sfide in arrivo
Pham sta attualmente collaborando con l'industria per testare e ampliare la SOT-MRAM basata su BiSb.
"Il primo passo è dimostrare la producibilità, " dice. "Miriamo a dimostrare che è ancora possibile ottenere un forte effetto Hall di spin, anche quando i film sottili di BiSb vengono fabbricati utilizzando tecnologie amiche del settore come il metodo sputtering."
"Sono passati più di dieci anni dall'emergere degli isolanti topologici, ma non era chiaro se quei materiali potessero essere usati in dispositivi realistici a temperatura ambiente. La nostra ricerca porta gli isolanti topologici ad un nuovo livello, dove sono molto promettenti per SOT-MRAM a bassissima potenza."
