拓撲絕緣體的一個新突破
2020-12-06 博科園
博科園-科學科普我們知道，材料通常被分為絕緣體和導體。但有一種神奇的材料，它的內部是絕緣的，界面卻是可以導電的，這種材料被稱為拓撲絕緣體。自發現以來，拓撲絕緣體一直是凝聚態物理的研究熱點。
拓撲絕緣體的能帶示意圖。通常絕緣體的導帶（conduction band）與價帶（valence band）之間存在能隙，電子無法傳導，而在拓撲絕緣體的表面存在一些位於能隙間的量子態——拓撲表面態（topological surface state），允許電子傳導。圖片：Wikipedia
然而，人們一直不清楚的是，拓撲絕緣材料能否在室溫下應用於現實設備。在一項最新的研究中，來自東京理工大學電氣與電子工程系的科學家將拓撲絕緣體的研究提升到一個新的水平。
他們開發出了世界上性能最好的純自旋流（pure spin current，自旋角動量的流動形成純自旋流）源，它由鉍銻（BiSb）合金製成，被認為是拓撲絕緣體第一次應用於工業領域的最佳候選對象。這一成果標誌著自旋-軌道轉矩磁阻式隨機存儲器（SOT-MRAM）的發展前進了一大步，並有望取代現有的存儲技術。
MRAM磁性存儲元件示意圖。與傳統的RAM晶片技術不同，MRAM中的數據不作為電荷或電流存儲，而是由磁性存儲元件存儲。這種元件由兩個鐵磁性的板組成，中間被絕緣層分開，因而可以保持各自的磁性。一個板被設定為具有特定極性的永磁體（fixed layer），另一個板可以隨著外磁場的變化來改變磁化強度（free layer）。這種結構被稱為磁性隧穿節（ magnetic tunnel junction），是MRAM的基本結構單元。對於每個MRAM存儲元件，如果兩個板的磁性同向，對應的電阻較小，這種狀態記為「1」；如果兩個板的磁性反向，對應的電阻較大，這種狀態記為「0」。圖片：Wikipedia
Pham Nam Hai是這次研究的主要領導者，他們製備了具有拓撲絕緣性質的BiSb薄膜，這種材料同時具有顯著的自旋霍爾效應（spin Hall effect ）與良好的導電性。
經典的霍爾效應是指，在外部磁場中，當電流流過導體時，導體中的自由電子會在洛倫茲力的作用下偏轉，在導體的一個面上積聚產生電壓。自旋霍爾效應不是藉助外部磁場，而是電子自旋極化（spin-polarization）在外部電流（charge current）的作用下發生偏轉，不同極化方向的自旋在材料的相反邊緣積聚，形成自旋流（spin current）。利用自旋霍爾效應的自旋-軌道轉矩（Spin-Orbit Torque，SOT）MRAM被認為是傳統的單純利用電子自旋極化的自旋傳遞轉矩（Spin-Transfer Torque，STT）MRAM的接替者。圖片：Wikipedia
他們的研究成果發表在《自然·材料》上，可能會促進應用於物聯網（IoT）的高密度、超低能耗和超快速的非易失性存儲器（當電流關掉後，存儲數據不會消失的存儲器，包括ROM、MRAM、快閃記憶體等），以及在工業和家庭方面需求日漸增加的其他應用的發展。
BiSb薄膜的自旋霍爾角θ約為52，電導率為2.5x10^5，室溫下的自旋霍爾電導率為1.3×10^7。值得注意的是，它的自旋霍爾電導率比2014年《自然》雜誌上報導的鉍硒合金（Bi2Se3）高出兩個數量級。
重金屬材料鉭（Ta）、鎢（W）、鉑（Pt）與BiSe合金、BiSb合金的自旋霍爾角、電導率、自旋霍爾電導率。最後一行為此次實驗的數據，BiSb合金的自旋霍爾電導率顯著高於其他材料。
使SOT-MRAM成為可行的選擇
到目前為止，為下一代SOT-MRAM設備尋找合適的自旋霍爾材料一直面臨著一個兩難的問題：一方面，像鉑（Pt）、鉭（Ta）和鎢（W）這樣的重金屬材料具有很高的導電性，自旋霍爾效應卻比較弱；另一方面，迄今研究過的拓撲絕緣體雖然具有顯著的自旋霍爾效應，導電性卻比較低。
BiSb薄膜在室溫下能夠滿足高導電性與顯著的自旋霍爾效應這兩種要求。這使得基於BiSb合金的SOT-MRAM有可能超越現有的自旋傳遞轉矩MRAM（STT-MRAM ）技術。
Pham說：「由於SOT-MRAM的切換速度可以比STT-MRAM快一個數量級，其能耗至少可以降低兩個數量級。而且，寫入速度可以提高20倍，比特密度可以提高10倍。」最近，總部位於比利時魯汶的IMEC用實驗驗證了這種節能的SOT-MRAM的可行性，儘管使用的材料是重金屬。
如果研發順利，基於BiSb合金的SOT-MRAM將極大地超過相應的重金屬存儲器的性能，甚至可以媲美作為當下主流技術的DRAM（動態隨機存儲器）。
一種美妙而被忽視的材料
BiSb合金由於能隙很窄，且表面狀態複雜，因此一直被研究人員忽視。然而，Pham說：「從電氣工程的角度來看，BiSb是非常美妙的材料，載流子有著很高的移動性，這使得材料內部驅動電流更為容易。」「我們知道BiSb有許多拓撲表面態，這意味著我們可以期待存在著更強的自旋霍爾效應。這就是兩年前我們開始研究這種材料的原因。
BiSb薄膜是用高精度的分子束外延（MBE）法製備的。研究人員發現了一種具有特殊表面取向的BiSb合金——BiSb(012)，它被認為是材料具有強的自旋霍爾效應的原因。Pham指出，BiSb(012)表面的狄拉克錐（Dirac cone）數目是另一個重要因素，他帶領的團隊正在對此進行研究。
二維材料如石墨烯，或者拓撲絕緣體中，在能量接近費米能級時，電子表現為具有線性色散的無能隙激發，價帶與導帶呈現為在頂點處匯聚的錐形，這就是所謂的狄拉克錐（Dirac cone）。
面臨的挑戰
Pham目前正在與工業界合作，測試並擴展基於BiSb合金的SOT-MRAM技術。「第一步是展示材料能夠投入工業化生產。我們的目標是表明，即使BiSb薄膜是通過工業友好的技術，例如濺射法（固體中的原子被高能量離子撞擊，離開固體進入真空系統中，進而沉積形成薄膜的過程）製備的，仍然可能獲得足夠強的自旋霍爾效應。」
「自從人們發現拓撲絕緣體，已經過去十多年了。然而，人們一直不清楚，拓撲絕緣材料能否在室溫下應用於現實設備。我們的研究將拓撲絕緣體提升到一個新的水平，使得超低能耗SOT-MRAM的實現充滿希望與前景。
博科園-科學科普｜文：鱷魚/原理/principia1687/東京工業大學，參考期刊：nature
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