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自旋电子学迎来新突破研究团队释放径向漩涡的能量

HZB 的一个团队在 BESSY II 研究了一种新的简单方法，这种方法可用于在磁性薄膜中产生稳定的径向磁涡流。 在某些材料中，自旋会在纳米和微米尺度内形成复杂的磁性结构，其中磁化方向会沿着特定方向扭曲和卷曲。这类结构的例子包括磁气泡、天幕和磁旋涡。与当今主流的微电子元件相比，自旋电子学旨在利用这种微小的磁性结构来存储数据或执行逻辑运算，而且功耗极低。

然而，大多数磁纹理的产生和稳定仅限于少数几种材料，而且只能在非常特殊的条件下（温度、磁场......）实现。

由 HZB 物理学家 Sergio Valencia 博士领导的一个国际合作小组现已研究出一种新方法，可用于在各种化合物中创建和稳定复杂的自旋纹理，如径向漩涡。在径向旋涡中，磁化指向或远离结构中心。这种类型的磁性构造通常非常不稳定。在这种新方法中，径向漩涡是在超导结构的帮助下产生的，而其稳定则是通过表面缺陷的存在来实现的。

Sergio Valencia 领导的研究小组在 BESSY II 使用 XMCD 光发射电子显微镜对样品进行了分析。图像显示了一个圆形和一个方形样品中径向排列的自旋纹理，这两个样品由超导 YBCO 岛上的铁磁材料组成。白色箭头表示入射的 X 射线束。图片来源：© HZB

超导 YBCO-Islands

样品由微米大小的由高温超导体 YBCO 制成的岛屿组成，在这些岛屿上沉积了铁磁化合物。当样品冷却到 92 开尔文（-181 °C）以下时，YBCO 进入超导状态。在这种状态下，施加外部磁场，然后立即移除。这一过程允许磁通量子的穿透和钉住，进而产生磁杂散场。正是这种杂散磁场在上覆铁磁层中产生了新的磁性微结构：自旋从结构中心向径向发射，就像径向漩涡一样。

随着温度的升高，YBCO 会从超导状态转变为正常状态。因此，YBCO 岛屿产生的杂散磁场会消失，磁性径向涡旋也应该消失。然而，HZB 研究人员及其合作者观察到，表面缺陷的存在阻止了这种情况的发生：径向漩涡部分保留了印记状态，即使在接近室温时也是如此。

"我们利用超导结构产生的磁场，在其上放置的铁磁体上形成特定的磁畴，并利用表面缺陷使其稳定。"瓦伦西亚解释说："这种磁性结构类似于天电离层，对自旋电子应用很有意义。"

几何结构至关重要

较小的印迹漩涡直径约为 2 微米，约为典型斯格明子的十倍。研究小组对具有圆形和方形几何结构的样品进行了研究，发现圆形几何结构提高了压印磁径向涡旋的稳定性。

"这是一种创建和稳定这种结构的新方法，它可以应用于各种铁磁材料。这些都为超导自旋电子学的进一步发展提供了良好的新前景。"

DOI: 10.1021/acsami.3c17671

编译来源：ScitechDaily

更强大的电子自旋现象被发现，有望为下一代存储技术铺路

东京工业大学（Tokyo Tech）的科学家们报告了一种新的材料组合，它为基于自旋的磁性随机存取存储器（RAM）奠定了基础。这项创新可能会让目前的存储设备取得巨大进步。

自旋是电子的固有属性。在一项新研究中，他们提出了一种使用拓扑材料中相关电子自旋现象的新策略，这可能推动自旋电子学领域的多项进展。此外，这项研究还进一步探索了自旋现象的基本机制。

自旋电子学是一个新兴的领域，它主要涉及电子的自旋和电子角动量。事实上，现代电子技术中广泛使用的磁性材料，就是因为电子自旋阵列使其具有了奇特特性。研究人员一直试图操纵某些材料的自旋相关特性，特别是用于非易失性存储器的材料。磁性非易失性存储器 (MRAM) 在功耗和速度方面有超越当前半导体存储器技术的潜力。

图 | 拓扑绝缘体 (TI) 材料的自旋注入会逆转铁磁 (FM) 材料的磁化，这就是 “写” 操作。此外，自旋注入还可以改变材料的整体电阻，所以外部电路可以感知这些电阻，这就是 “读”操作（来源：应用物理学杂志）

由东京工业大学 Pham Nam Hai 副教授领导的一组研究人员，最近在《应用物理学杂志》(Journal of Applied Physics)上发表了一项关于单向自旋霍尔磁阻 (USMR) 的研究。自旋霍尔效应会导致具有特定自旋的电子在材料的侧面聚集，它在拓扑绝缘体材料中表现得尤为强烈。将拓扑绝缘体与铁磁半导体结合在一起，自旋霍尔效应可以产生巨大的单向自旋霍尔磁阻。

当自旋相同的电子聚集在两种材料之间的界面时，由于自旋霍尔效应，自旋可以注入到铁磁层并发生磁化翻转，实现内存的写入操作，这意味着在存储设备中可以重写数据。同时，由于 USMR 效应，复合材料的电阻随磁化方向的变化而变化。这时使用外部电路可以测量电阻，实现内存的读取操作。在这个过程中，数据可以使用与写入操作相同的电流路径读取。

然而，现有材料组合使用传统的重金属作为自旋霍尔效应的材料，使得由 USMR 效应引起的电阻变化是非常低的，远低于 1%。这阻碍了利用这种效应的 MRAM 的发展。此外，USMR 效应的机制似乎因材料的组合而异，目前还不清楚哪种机制可以将 USMR 效应提高到 1% 以上。

为了了解材料组合如何影响 USMR 效应，研究人员设计了一种由镓锰砷化物 (一种铁磁半导体) 和锑化铋 (一种拓扑绝缘体) 组成的复合结构层。通过这种组合，他们实现了 1.1% 的 USMR 效率。结果显示，利用铁磁半导体中的磁振子散射和自旋无序散射两种现象，都可以得到很好的 USMR 效率，这也使得这一研究在实际应用中成为可能。Hai 博士说：“我们的研究首次证明，USMR 效率有可能超过 1%。这比使用重金属的 USMR 效率要高几个数量级。此外，我们的结果提供了一种新的策略，以最大限度地提高实际设备的 USMR 应用效率。

本研究对自旋电子学的发展具有重要意义。传统的 MRAM 结构需要大约 30 层超薄层，这是非常具有挑战性的。通过使用 USMR 效应进行读取操作，只需要两层存储单元。Hai 博士总结说：“进一步的材料工程研究可能会进一步提高 USMR 效率，这对于结构极其简单、读取速度极快的基于 USMR 的 MRAMs 来说是至关重要的。我们的研究成果是朝着这个目标迈出的重要一步。”