布景
自旋电子学是一个现代技能范畴。在该范畴中，电子的“自旋”或许角动量在电子器材中扮演着首要人物。
（图片来自：参考资料【1】）
实际上，一起的自旋摆放是磁性资料奇特特性的原因，它们在现代电子器材中广泛运用。依据这种现象的器材具有各式各样的使用，特别是非易失性存储器，全国际的研讨人员们一直在测验控制特定材猜中的自旋相关特性。
（图片来自：Gopman/NIST）
这些磁性非易失性存储器，也称为“MRAM”，有望在功耗和速度方面逾越现在的半导体存储器。
下图所示：存储密度达128Mb的自旋搬运矩-磁性随机存储器（STT-MRAM），写入速度达14纳秒。
（图片来自：日本东北大学）
立异
近来，日本东京工业大学（Tokyo Tech）的科学家们开宣布一款新的资料组合，它为磁随机存取存储器铺平了路途。这种存储器依靠自旋（电子的一种内禀特性），可逾越现在的存储器材。他们在一项新研讨中宣布了他们的打破，描绘了一种使用拓扑材猜中自旋相关现象的新方案，将促进自旋电子范畴获得几项发展。此外，这项研讨为自旋相关现象的潜在机制供给了额定的洞悉。
东京工业大学的领导研讨团队，在 Pham Nam Hai 副教授的领导下，近来在《（使用物理学杂志）Journal of Applied Physics》上宣布了一项关于单向自旋霍尔磁阻（USMR）的研讨。这是一种自旋相关的现象，可用于开发结构极端简略的磁性随机存储器（MRAM）单元。
自旋霍尔效应会导致具有特定自旋的电子聚积在资料旁边面。这项研讨背面的动机是自旋霍尔效应，这种效应在所谓的“拓扑绝缘体”材猜中特别激烈，拓扑绝缘体与铁磁性半导体相结合，可生成巨大的USMR。
下图是磁阻效应的示意图。拓扑绝缘体中发作电子自旋。处于铁磁体与拓扑绝缘体接口处的那些电子自旋与铁磁体发作交互作用，为器材带来高电阻或许低电阻，这一点取决于磁场和自旋的相对方向。
（图片来自：明尼苏达大学）
技能
基本上，当具有相同自旋的电子在两种资料的界面上聚积时，（如下图）由于自旋霍尔效应，自旋可被注入到铁磁性层中，并翻转其磁化强度，然后进行“存储器写操作”，这在某种程度上预示着存储器材中的数据可被“重写”。与此同时，由于USMR效应，复合结构的电阻可依据磁化强度的方向发作改动。由于电阻可选用外部电路丈量，然后可进行“存储器读操作”，该操作选用与写操作相同的电流途径读取数据。
下图所示：这种提议的资料组合可作为支撑读写操作的存储单元。用拓扑绝缘体（TI）资料注入的自旋翻转了铁磁性（FM）资料的磁化强度，代表“写”操作。进一步说，自旋注入也能够改动资料的整体电阻，然后可经过外部电路感测到，代表“读”操作。
极端简略的MRAM（图片来自：东京工业大学）
但是，在选用传统重金属完成自旋霍尔效应的现有资料组合中，由USMR效应引起的电阻改变极低（低于1%），然后阻止了使用这一效应开发MRAM。此外，USMR效应的机制好像依据选用的资料组合的改变而改变，而且尚不清楚使用哪种机制可提高USMR，使之超越1%。
为了搞清楚资料组合是怎么影响USMR效应的，研讨人员们规划了一种由一层砷化镓锰（GaMnAs，一种铁磁性半导体）和一层锑化铋（BiSb，一种拓扑绝缘体）组成的复合结构。有意思的是，他们经过这种组合，成功获取到了巨大的USMR比率，到达1.1%。
价值
特别是，这项效果标明，使用铁磁性半导体中呈现的“磁振子散射（magnon scattering）”和“自旋无序散射（spin-disorder scattering）”现象，能轻松完成巨大的USMR比率，然后有或许在实际国际中使用这一现象。Hai 博士翔实论述道：“咱们的研讨初次演示了有或许获取超越1%的USMR比率，它比用重金属完成的USMR高几个数量级。此外，咱们的效果为最大化有用器材的USMR比率供给了一种新方案。”
这项研讨在自旋电子器材的开发中扮演着重要人物。传统的MRAM结构需求约30个超薄层，十分难以完成。经过使用USMR进行读出操作，存储单元仅需求两层。
Hai 博士总结道：“更深化的资料工程将进一步改进USMR比率，这个比率关于完成结构极端简略和高速读取的USMR基MRAM来说是必不可少的。咱们所演示的超越1%的USMR比率，朝着这一方针迈出了重要一步。”
关键字
自旋、磁、存储
参考资料
【1】S. Y. Bodnar et al., Writing and reading antiferromagnetic Mn2Au by Néel spin-orbit torques and large anisotropic magnetoresistance, Nature Communications 9, 24 January 2018, DOI:10.1038/s41467-017-02780-x
【2】http://dx.doi.org/10.1063/1.5134728
【3】https://www.titech.ac.jp/english/news/2019/045917.html
