A realização de comutação de magnetização de spin-orbit torque-driven à temperatura ambiente em heteroestruturas topológicas isolante-ferromagneto tem aplicações promissoras em memórias de baixo consumo de energia e alta densidade de integração e dispositivos lógicos.

A comutação de magnetização induzida por corrente por torque spin-orbit (SOT) é um ingrediente importante para dispositivos magnéticos não voláteis modernos, como memórias magnéticas de acesso aleatório e dispositivos lógicos que são necessários para armazenamento e computação de dados de alto desempenho. Como tal, pesquisadores em todo o mundo estão procurando ativamente por novas maneiras de reduzir a alta densidade de corrente de comutação atual, a fim de alcançar uma comutação de magnetização conduzida por SOT altamente eficiente. Pesquisadores da National University of Singapore (NUS) fizeram recentemente um avanço significativo neste campo de pesquisa.

Liderado pelo Professor Associado Yang Hyunsoo, do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação, a equipe de pesquisa NUS tem, pela primeira vez, demonstrou com sucesso a comutação de magnetização à temperatura ambiente conduzida por SOTs gigantes em isolador topológico / heteromagneto convencional (Bi2Se3 / NiFe) heteroestruturas com uma densidade de corrente extremamente baixa, que pode resolver o problema de escalabilidade e alto consumo de energia necessários em dispositivos spintrônicos modernos.

Os resultados foram publicados na revista científica Nature Communications em 8 de novembro de 2017.

Assoc Prof Yang disse, "Nossas descobertas podem resolver o obstáculo fundamental de uma alta corrente de comutação nas atuais aplicações de SOT baseadas em metais pesados, e este é um grande passo em direção a aplicações de dispositivos spintrônicos baseados em isolante topológico em temperatura ambiente com dissipação de energia ultrabaixa e alta densidade de integração. Acreditamos que nosso trabalho irá revigorar enormemente as atividades globais de pesquisa baseadas em isolantes topológicos de diversas disciplinas. "

Empregando matéria quântica inovadora:isoladores topológicos

Isoladores topológicos são materiais eletrônicos que têm um gap em massa como um isolador comum, mas ainda suportam estados condutores em sua superfície, possuindo um forte acoplamento spin-órbita e estados de superfície topológicos bloqueados por momento de spin (TSS), no qual o momento do elétron e as direções de polarização de spin estão fortemente travadas.

"Devido às propriedades bloqueadas pelo momento de rotação, à medida que a corrente de carga flui no TSS, todos os spins do elétron serão totalmente polarizados em uma direção perpendicular à direção do elétron em movimento. Portanto, uma geração de corrente de rotação muito alta e eficiente e, portanto, uma eficiência gigante de SOT são esperadas em isoladores topológicos. "explicou o Dr. Zhu Dapeng, que é co-primeiro autor do estudo e pesquisador do Departamento.

Tirar vantagem do TSS é crucial para realizar dispositivos SOT de alto desempenho baseados em isolantes topológicos. Contudo, em isoladores topológicos típicos, como Bi2Se3, os estados de bulk parasitas e o gás de elétron bidimensional podem contaminar e / ou eliminar a alta eficiência do SOT no TSS. Para superar isso, a equipe de pesquisa identificou o efeito SOT dominado por TSS em filmes Bi2Se3 ultrafinos (≤ 8 nm), exibindo uma grande eficiência SOT de até 1,75 em temperatura ambiente, que é muito maior do que os valores de ~ 0,01–0,3 nos metais pesados ​​convencionais usados.

Dispositivos com base em isolante topológico de alto desempenho para armazenamento de dados e computação

Nos dispositivos SOT tradicionais de metal pesado (como Pt ou Ta) / ferromagneto, a densidade de corrente necessária para a comutação de magnetização ainda é alta, na ordem de ~ 107-108 A / cm2, o que dificulta seu uso em aplicações SOT de alto desempenho.

A equipe demonstrou a alta eficiência da comutação de magnetização induzida por corrente em temperatura ambiente usando isolante topológico Bi2Se3 (8 nm), que pode ser cultivada em uma escala de wafer usando epitaxia de feixe molecular (MBE), com um ferromagneto 3-D convencional NiFe (6 nm), que é amplamente utilizado em várias indústrias.

"Nosso trabalho apresenta com sucesso uma redução significativa da densidade de corrente de comutação para a comutação de magnetização, utilizando o efeito SOT gigante em Bi2Se3. O valor é cerca de 6 × 105 A / cm2, que é quase duas ordens de magnitude menor do que a dos metais pesados. Este é um marco importante para o consumo de energia ultrabaixo e aplicativos de dispositivos SOT de alta densidade de integração. Além disso, nossos dispositivos funcionam de forma robusta em temperatura ambiente, que rompe o limite de temperatura de trabalho ultrabaixa no dispositivo de TI anterior ", disse o Dr. Wang Yi, do Departamento, quem é o outro co-primeiro autor do estudo.

"Nosso esquema de comutação de magnetização não requer um campo magnético auxiliar. Isso torna os sistemas isolantes topológicos / material ferromagnético fáceis de integrar na tecnologia industrial bem estabelecida para dispositivos magnéticos, "acrescentou o Prof. Associado Yang.

Seguindo em frente, O professor associado Yang e sua equipe estão conduzindo experimentos para diminuir ainda mais a corrente de comutação, refinando ainda mais os materiais e estruturas dos sistemas, e também planejam incorporar e testar a tecnologia em dispositivos de memória magnética de núcleo. A equipe espera trabalhar com parceiros da indústria para explorar ainda mais várias aplicações com esses novos sistemas de materiais.