La combinazione di materiali proposta funge da unità di memoria supportando operazioni di lettura e scrittura. L'iniezione di spin da parte del materiale isolante topologico (TI) inverte la magnetizzazione del materiale ferromagnetico (FM), che rappresenta l'operazione di 'scrittura'. Per di più, l'iniezione di spin può anche modificare la resistenza complessiva dei materiali, che può essere rilevato attraverso un circuito esterno, che rappresenta l'operazione di 'lettura'. Credito: Rivista di fisica applicata
Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) segnalano una nuova combinazione di materiali che pone le basi per la memoria magnetica ad accesso casuale basata su spin, una proprietà intrinseca degli elettroni. L'innovazione potrebbe superare le prestazioni dei dispositivi di archiviazione attuali. La loro svolta, pubblicato in un nuovo studio, descrive una nuova strategia per sfruttare i fenomeni legati allo spin nei materiali topologici e potrebbe stimolare numerosi progressi nel campo dell'elettronica di spin. Inoltre, questo studio fornisce ulteriori informazioni sul meccanismo sottostante dei fenomeni legati allo spin.
La Spintronica è un moderno campo tecnologico in cui lo spin, o il momento angolare, degli elettroni assume un ruolo primario. Infatti, le disposizioni collettive di spin sono la ragione delle curiose proprietà dei materiali magnetici, che sono comunemente usati nell'elettronica moderna. I ricercatori hanno cercato di manipolare le proprietà legate allo spin in alcuni materiali, soprattutto per la memoria non volatile. Memoria magnetica non volatile, (MRAM) ha il potenziale per superare l'attuale tecnologia di memoria a semiconduttore in termini di consumo energetico e velocità.
Un team di ricercatori della Tokyo Tech, guidato dal Professore Associato Pham Nam Hai, ha recentemente pubblicato uno studio in Rivista di fisica applicata sulla magnetoresistenza di Hall di spin unidirezionale (USMR), un fenomeno correlato allo spin che potrebbe essere utilizzato per sviluppare celle MRAM con una struttura estremamente semplice. L'effetto spin Hall porta all'accumulo di elettroni con un certo spin sui lati laterali di un materiale. L'effetto Hall di spin, che è particolarmente forte nei materiali noti come isolanti topologici, può provocare un gigante USMR combinando un isolante topologico con un semiconduttore ferromagnetico.
Quando elettroni con lo stesso spin si accumulano sull'interfaccia tra i due materiali, a causa dell'effetto Hall di spin (Fig. 1), gli spin possono essere iniettati allo strato ferromagnetico e capovolgere la sua magnetizzazione, consentendo operazioni di scrittura in memoria, il che significa che i dati nei dispositivi di archiviazione possono essere riscritti. Allo stesso tempo, la resistenza della struttura composita cambia con la direzione della magnetizzazione per effetto USMR. La resistenza può essere misurata utilizzando un circuito esterno, consentendo operazioni di lettura della memoria in cui i dati possono essere letti utilizzando lo stesso percorso corrente con l'operazione di scrittura. Nella combinazione di materiali esistenti che utilizzano metalli pesanti convenzionali per l'effetto Hall di rotazione, però, i cambiamenti nella resistenza causati dall'effetto USMR sono estremamente bassi, ben al di sotto dell'1%, il che ostacola lo sviluppo di MRAM utilizzando questo effetto. Inoltre, il meccanismo dell'effetto USMR sembra variare a seconda della combinazione di materiale utilizzato, e non è chiaro quale meccanismo possa essere sfruttato per aumentare l'USMR a oltre l'1%.
Per capire come le combinazioni di materiali possono influenzare l'effetto USMR, i ricercatori hanno progettato una struttura composita comprendente uno strato di arseniuro di manganese di gallio (GaMnAs, un semiconduttore ferromagnetico) e antimoniuro di bismuto (BiSb, un isolante topologico). Con questa combinazione, hanno ottenuto un gigantesco rapporto USMR dell'1,1%. In particolare, i risultati hanno mostrato che sfruttando due fenomeni nei semiconduttori ferromagnetici, scattering magnon e scattering del disturbo di spin, può portare a un gigantesco rapporto USMR, rendendo possibile l'utilizzo di questo fenomeno nelle applicazioni del mondo reale. Il dottor Hai dice, "Il nostro studio è il primo a dimostrare che è possibile ottenere un rapporto USMR maggiore dell'1%. Questo è di diversi ordini di grandezza superiore a quelli che utilizzano metalli pesanti per USMR. Inoltre, i nostri risultati forniscono una nuova strategia per massimizzare il rapporto USMR per applicazioni pratiche sui dispositivi".
Questo studio potrebbe svolgere un ruolo chiave nello sviluppo della spintronica. La struttura MRAM convenzionale richiede circa 30 strati ultrasottili, che è molto impegnativo da realizzare. Utilizzando USMR per le operazioni di lettura, sono necessari solo due strati per le celle di memoria. "Un'ulteriore ingegneria dei materiali potrebbe migliorare ulteriormente il rapporto USMR, che è essenziale per MRAM basate su USMR con una struttura estremamente semplice e una lettura veloce. La nostra dimostrazione di un rapporto USMR superiore all'1% è un passo importante verso questo obiettivo, " conclude il dottor Hai.