Tabela 1: θ SH :ângulo Hall de rotação, σ :condutividade, σ SH :condutividade de Hall de rotação.
Os valores da linha inferior são os obtidos no presente estudo. Notavelmente, a condutividade do spin Hall, mostrado na coluna da direita, é duas ordens de magnitude maior do que o registro anterior. Crédito:Pham Nam Hai
Uma equipe de pesquisa liderada por Pham Nam Hai no Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica, O Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech) desenvolveu a fonte de corrente de rotação pura de melhor desempenho do mundo feita de ligas de bismuto-antimônio (BiSb), que eles relatam como o melhor candidato para a primeira aplicação industrial de isoladores topológicos. A conquista representa um grande passo no desenvolvimento de dispositivos de memória de acesso aleatório magnetoresistiva de torque spin-orbit (SOT-MRAM) com potencial para substituir as tecnologias de memória existentes.
A equipe desenvolveu filmes finos de BiSb para um isolante topológico que atinge simultaneamente um efeito Hall de spin colossal e alta condutividade elétrica. Seu estudo, publicado em Materiais da Natureza , poderia acelerar o desenvolvimento de alta densidade, ultra-baixo consumo de energia, e memórias não voláteis ultrarrápidas para Internet das Coisas (IoT) e outras aplicações que estão se tornando cada vez mais procuradas para uso industrial e doméstico.
Os filmes finos BiSb atingem um ângulo Hall de rotação de aproximadamente 52, condutividade de 2,5 x 10 5 e a condutividade Hall de rotação de 1,3 × 10 7 à temperatura ambiente. (Consulte a Tabela 1 para um resumo de desempenho, incluindo todas as unidades.) Notavelmente, a condutividade Hall de spin é duas ordens de magnitude maior do que a do seleneto de bismuto (Bi 2 Se 3 ), relatado em Natureza em 2014.
Fazendo SOT-MRAM uma escolha viável
Até agora, a busca por materiais de spin Hall adequados para dispositivos SOT-MRAM de próxima geração apresentou problemas:Primeiro, metais pesados, como platina, tântalo e tungstênio têm alta condutividade elétrica, mas um pequeno efeito Hall de spin. Segundo, Os isoladores topológicos investigados até o momento têm um grande efeito Hall de spin, mas baixa condutividade elétrica.
Os filmes finos BiSb atendem a ambos os requisitos em temperatura ambiente. Isso levanta a possibilidade real de que o SOT-MRAM baseado em BiSb poderia superar a tecnologia MRAM de torque de transferência de rotação (STT) existente.
"Como SOT-MRAM pode ser alterado em uma ordem de magnitude mais rápido do que STT-MRAM, a energia de comutação pode ser reduzida em pelo menos duas ordens de magnitude, "diz Pham." Além disso, a velocidade de gravação pode ser aumentada 20 vezes e a densidade de bits aumentada por um fator de dez. "
A viabilidade de tais SOT-MRAMs eficientes em energia foi recentemente demonstrada em experimentos, embora usando metais pesados, conduzido pelo IMEC, o centro internacional de P&D e inovação com sede em Leuven, Bélgica.
Se ampliado com sucesso, O SOT-MRAM baseado em BiSb poderia melhorar drasticamente seus equivalentes baseados em metais pesados e até mesmo se tornar competitivo com a memória de acesso aleatório dinâmica (DRAM), a tecnologia dominante de hoje.
Um atrativo, material esquecido
BiSb tendeu a ser negligenciado pela comunidade de pesquisa devido ao seu pequeno gap e estados de superfície complexos. Contudo, Pham diz:"De uma perspectiva de engenharia elétrica, BiSb é muito atraente devido à sua alta mobilidade de portadora, o que torna mais fácil conduzir uma corrente dentro do material. "
"Sabíamos que BiSb tem muitos estados de superfície topológicos, o que significa que poderíamos esperar um efeito Hall de rotação muito mais forte. É por isso que começamos a estudar este material há cerca de dois anos. "
Os filmes finos foram cultivados usando um método de alta precisão denominado epitaxia de feixe molecular (MBE). Os pesquisadores descobriram uma orientação de superfície particular chamada BiSb (012), que é considerado um fator chave por trás do grande efeito Hall de rotação. Pham aponta que o número de cones de Dirac [6] 0 na superfície BiSb (012) é outro fator importante, que sua equipe está investigando.
Desafios adiante
Pham está atualmente colaborando com a indústria para testar e expandir o SOT-MRAM baseado em BiSb.
"O primeiro passo é demonstrar a capacidade de fabricação, ", diz ele." Nosso objetivo é mostrar que ainda é possível obter um forte efeito de rotação Hall, mesmo quando os filmes finos BiSb são fabricados usando tecnologias amigáveis à indústria, como o método de pulverização catódica. "
“Já se passaram mais de dez anos desde o surgimento dos isoladores topológicos, mas não estava claro se esses materiais poderiam ser usados em dispositivos realistas em temperatura ambiente. Nossa pesquisa leva os isoladores topológicos a um novo nível, onde eles são uma grande promessa para SOT-MRAM de ultra-baixo consumo de energia. "
