拓扑自旋电子学的巨大突破

科学家已开发出世界上性能最好的纯自旋电流源[1]，由铋 - 锑(BiSb)合金制成，他们认为这是拓扑绝缘子第一次工业应用的最佳候选[2]。这一成就代表了旋转轨道扭矩磁阻随机存取存储器(SOT-MRAM)[3]器件的发展，它有可能取代现有的存储器技术。

东京理工大学(东京工业大学)电气与电子工程系Pham Nam Hai领导的一个研究小组开发了用于拓扑绝缘体的BiSb薄膜，同时实现了巨大的自旋霍尔效应[4]和高电气电导率。

他们的研究发表在Nature Materials上，可以加速开发用于物联网(IoT)和其他应用的高密度，超低功耗和超快速非易失性存储器，这些应用现在对工业和家庭用途的需求越来越大。 。

BiSb薄膜在室温下实现大约52的巨大自旋霍尔角，2.5×10 5的电导率和1.3×10 7的自旋霍尔电导率。(有关性能总结，请参见表1，包括所有单位。)值得注意的是，自旋霍尔电导率比硒化铋(Bi 2 Se 3)高两个数量级，2014年在Nature上报道。

使SOT-MRAM成为可行的选择

到目前为止，为下一代SOT-MRAM器件寻找合适的自旋霍尔材料一直面临两难选择：首先，铂，钽和钨等重金属具有高导电性，但旋转霍尔效应较小。其次，迄今为止所研究的拓扑绝缘体具有大的自旋霍尔效应但电导率低。

BiSb薄膜满足室温要求。这提高了基于BiSb的SOT-MRAM可以胜过现有自旋转移力矩(STT)MRAM技术的真实可能性。

“由于SOT-MRAM的切换速度比STT-MRAM快一个数量级，因此开关能量可以降低至少两个数量级，”Pham说。“此外，写入速度可提高20倍，位密度增加10倍。”

尽管使用重金属，最近在总部位于比利时鲁汶的国际研发和创新中心IMEC进行了实验，证明了这种节能型SOT-MRAM的可行性。

如果成功扩大规模，基于BiSb的SOT-MRAM可以大幅改善其基于重金属的同类产品，甚至可以与动态随机存取存储器(DRAM)竞争，后者是当今的主流技术。

有吸引力的，被忽视的材料

BiSb由于其小的带隙[5]和复杂的表面状态而倾向于被研究界所忽视。然而，Pham说：“从电气工程的角度来看，由于其高载流子迁移率，BiSb非常具有吸引力，因此更容易在材料中驱动电流。”

“我们知道BiSb具有许多拓扑表面状态，这意味着我们可以期待更强大的自旋霍尔效应。这就是我们大约两年前开始研究这种材料的原因。”

使用称为分子束外延(MBE)的高精度方法生长薄膜。研究人员发现了一种名为BiSb(012)的特定表面取向，这被认为是大旋转霍尔效应背后的关键因素。Pham指出，BiSb(012)表面上Dirac锥体[6] 0的数量是另一个重要因素，他的团队正在研究这个因素。

未来的挑战

Pham目前正与业界合作测试和扩展基于BiSb的SOT-MRAM。

“第一步是展示可制造性，”他说。“我们的目标是展示它仍然有可能实现强大的自旋霍尔效应，即使BiSb薄膜采用行业友好型技术(如溅射方法)制造。”

“自拓扑绝缘子出现以来已有十多年了，但目前尚不清楚这些材料是否可以在室温下用于真实设备。我们的研究将拓扑绝缘体提升到一个新的水平，它们在超低的范围内具有很大的潜力电源SOT-MRAM。“

技术用词

[1]纯自旋电流：传输自旋角动量而非电荷的现象。

[2]拓扑绝缘体：具有高导电表面但在内部起绝缘体作用的材料。这些材料对于开发产生较少热量的高性能电子器件的兴趣非常大。

[3] SOT-MRAM：使用自旋霍尔效应的自旋轨道扭矩(SOT)切换越来越多地被视为用于磁阻随机存取存储器(MRAM)技术的传统自旋转移力矩(STT)切换的后继者。

[4]旋转霍尔效应：源自电荷和自旋耦合的自旋的霍尔效应。通过自旋霍尔效应可以产生纯自旋电流。

[5]带隙：绝缘体或半导体中不存在电子态的能量范围。

[6] Dirac锥体：在拓扑绝缘体中出现的独特电子结构，代表线性能量色散。