自旋电子的应用新发现，将为未来的自旋电子应用，开启新的磁性特性|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

新发现，将为未来的自旋电子应用，开启新的磁性特性

一项理论与实验合作的研究，发现了二维结构中的新磁性能，这对自旋电子学新兴领域研究具有令人兴奋的潜力。自旋电子器件除了使用传统电子器件的电荷外，还使用一种称为自旋的量子特性。因此，自旋电子学有望实现具有显著增强功能的超高速低能电子设备。rmit和新南威尔士大学的研究发现，在由数层新颖的二维材料组成，被称为vdW异质结构的器件中，存在着从未见过的磁性能。

最新结果表明，与传统的自旋电子学方法相比，vdW自旋电子学可以为器件提供更多的功能。进一步的研究可以产生具有重大工业应用价值的设备。二维(2-D)范德华(vdW)材料是新一代自旋电子器件的有效组成部分。

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当用非磁性vdW材料(如石墨烯和/或拓扑绝缘体)分层时，可以组装vdW异质结构，以提供其他无法实现的器件结构和功能。科学家们研究了二维Fe3GeTe2 (FGT)，在之前的一项研究中，发现这种金属在自旋电子器件中具有很好的铁磁性，在材料中发现了一种前所未见的巨磁电阻(GMR)模式。

不像传统，已知的两个GMR状态(即高阻和低阻)发生在薄膜异质结构中，研究人员还测量了反对称GMR与一个额外，不同的中间电阻状态。这表明vdW铁磁异质结构与类似结构表现出本质上不同的性质，这一令人惊讶的结果，与之前关于GMR的观点相反。这表明vdW异质结构具有不同的物理机制，具有改进磁信息存储的潜力。理论计算表明，这三种电阻水平是石墨/FGT界面自旋动量锁定诱导自旋极化电流的结果。

合著者FLEET博士Cheng Tan说：这项工作对二维材料、自旋电子学和磁学的研究具有重大意义。这意味着传统的隧穿磁阻器件、自旋轨道转矩器件和自旋晶体管可能会得到重新研究，利用类似vdW异质结构来揭示类似的惊人特性，其研究成果研究发表在《科学进展》上。该实验的详细电子输运测量是由CI教授王兰(RMIT)和副主任亚历克斯·汉密尔顿教授(UNSW)领导的研究人员合作完成，使用的是由王兰教授团队在RMIT制造的异质结构和设备。

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。”