較低的電流可帶來更高效的存儲器

2020-12-03 科技報告與資訊

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研究人員離實現一種新型的存儲器又近了一步,這種存儲器的工作原理是類似於電子學但又不同於電子學的自旋電子學。他們獨特的砷化鎵基鐵磁半導體可以在低功率的誘導電流存在下快速切換其磁態,從而起到記憶作用。以前,這種電流誘導的磁化切換是不穩定的,而且會消耗大量的功率,但這種新材料既抑制了不穩定性,也降低了功耗。

量子計算領域經常會被技術媒體報導,然而,另一個類似的新興領域往往會被忽視,這就是自旋電子學。簡而言之,自旋電子器件可以取代一些電子器件,並在遠低的功率水平上提供更高的性能。電子設備利用電子的運動來實現供電和通信。而自旋電子器件則利用靜止電子的可轉移特性,即其角動量,或自旋。這有點像讓一排人把信息從一個人傳到另一個人,而不是讓一端的人跑到另一端。自旋電子學減少了執行計算或記憶功能所需的努力。

基於自旋電子學的存儲器設備很可能會變得很普遍,因為它們有一個有用的特點,即它們是非易失性的,這意味著一旦它們處於某種狀態,即使在沒有電源的情況下,它們也會保持這種狀態。傳統的計算機存儲器,如普通半導體製成的DRAM和SRAM,在關閉電源後就會失去狀態。實驗性的自旋電子存儲器件的核心是磁性材料,這些材料可以在相反的方向上被磁化,以表示我們熟悉的1或0的二進位狀態,這種狀態的切換可以非常快地發生。然而,一直以來,人們都在尋找最佳的材料來完成這項工作,因為自旋電子材料的磁化不是一件簡單的事情。

"將材料磁化類似於旋轉機械裝置,"東京大學自旋電子學研究網絡中心的Shinobu Ohya副教授說。"在旋轉系統中,有旋轉力在起作用,稱為扭矩;同樣,在自旋電子學系統中也有扭矩,稱為自旋軌道扭矩,儘管它們是量子力學的而不是經典的。在自旋軌道轉矩中,'抗阻尼轉矩'可以協助磁化切換,而'類場轉矩'可以抵抗磁化切換,提高執行切換所需的電流水平。我們希望能抑制這一點。"

Ohya和他的團隊用不同的材料和這些材料的各種形式進行了實驗。在小尺度下,抗阻尼轉矩和類場轉矩可以根據電流方向和厚度等物理參數的不同而產生非常不同的作用。研究人員發現,如果使用厚度只有15納米的砷化鎵基鐵磁半導體薄膜,約為一美元紙幣厚度的七千分之一,不良場樣轉矩就會變得被抑制。這意味著磁化切換發生的電流是這種工藝有史以來最低的記錄。

論文標題為《Suppression of the field-like torque for efficient magnetization switching in a spin–orbit ferromagnet》。

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