自旋电子存储技术应用采用铁氧磁材料新自旋电子存储器写入效率提高二十倍|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

采用铁氧磁材料新自旋电子存储器写入效率提高二十倍

据美国物理学家组织网近日报道，由新加坡国立大学工程师领导的国际团队，研发出一种新型自旋电子存储装置。与现有商用自旋电子存储器相比，新设备操控数字信息的效率以及稳定性分别提升了20倍和10倍，有望加速自旋存储设备的商业化发展。

新设备由新加坡国立大学与日本丰田技术研究所、名古屋大学和韩国首尔大学的研究人员合作开发。研究负责人、新加坡国立大学电气和计算机工程系副教授杨秀贤(音译)表示：“我们的发现可为自旋电子行业提供一个新的设备平台，这一行业目前由于所使用的薄磁性元件而面临着稳定性和可扩展性问题。”

随着全世界数字信息呈爆炸式增长，对低成本、低功耗、高稳定性和高度可扩展的存储器和计算产品的需求也水涨船高。实现这一目标的一种方法是使用新的自旋电子材料(在这些材料内，数据存储为微小磁体向上或向下的磁状态)。尽管现有基于铁磁体的自旋电子存储器成功满足了某些要求，但由于可扩展性和稳定性问题，它们仍然非常昂贵。

研究团队成员、新加坡国立大学博士余嘉伟(音译)解释说：“基于铁磁体的存储器生长不能超过几纳米厚，因为它们的写入效率会随着厚度的增加而呈指数衰减。”

为应对这些挑战，研究团队用铁氧磁材料制造出了新型磁存储装置。重要的是，新材料即便生长10倍厚也不会影响整体数据的写入效率。研究人员利用电子电流在铁氧磁存储设备中写入信息，比在铁磁体内写入信息稳定10倍，效率提高20倍。

杨秀贤希望，计算和存储行业可以利用新发明提高自旋存储器的性能和数据保持能力。研究团队现正计划研究其设备的数据写入和读取速度，他们期待新设备独特的原子特性也能带来超快的性能。此外，他们还计划与行业伙伴合作，加速这项发明的商业化进程。(记者刘霞)

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磁芯、磁鼓、磁带、磁盘……没有磁存储的进步，就没有IT业欣欣向荣的今天。七十年来，铁氧磁材料一直是磁存储领域的当家老大。尽管后起的钴和铬也十分关键，但和铁氧化合物一比，仍是配角。眼看铁氧体的记录密度还在攀升，不排除一种可能：直到人类文明结束那天，我们还会使用磁体来存储信息。最高水准的电子技术和机械技术，将持续用于制造尖端的磁记录设备。

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。”