Tokion teknillisen instituutin tutkijat kehittävät uutta materiaalikokoonpanoa, jonka avulla voitaisiin kehittää nykyistä parempia magneettisille hajasaantimuisteja. Nämä muistit perustuisivat spinin hyödyntämiseen ja ne voisivat suorituskyvyllään ylittää nykyiset tallennuspiirit.
Läpimurto kuvaa uutta strategiaa spinilmiöiden hyödyntämiseksi topologisissa materiaaleissa, mikä voisi aikaansaada useita edistysaskeleita spinelektroniikan alalla. Tutkijat ovat maailmanlaajuisesti yrittäneet manipuloida spiniin liittyviä ominaisuuksia tietyissä materiaaleissa ja jo toimivissa sovelluksissa, etenkin haihtumattomissa muisteissa.
Tokion työryhmä julkaisi tutkimuksen yksisuuntaisesta spiniin perustuvasta Hall-magnetoresistanssista (USMR, unidirectional spin Hall magnetoresistance). Ilmiötä voidaan käyttää MRAM-solujen kehittämiseen erittäin yksinkertaisella rakenteella.
Nykyinen MRAM-rakenne vaatii noin 30 erittäin ohutta kerrosta, mikä on erittäin haastavaa valmistaa. Hyödyntämällä riittävän suurta USMR-ilmiötä lukuoperaatioihin rakenne yksinkertaistuu huomattavasti, sillä muistisoluille tarvitaan vain kaksi kerrosta.
Spin Hall -vaikutus johtaa elektronien kertymiseen tietyllä spinillä materiaalin sivupinnoille. Tämän tutkimuksen taustalla oli näkemys, että topologisissa eristeissä erittäin vahva spin Hall -vaikutus voi johtaa jättiläismäiseen USMR-arvoonn yhdistämällä topologinen eriste ferromagneettisen puolijohteen kanssa.
Kun elektroneja, joilla on sama spin, kerääntyy kahden materiaalin väliseen rajapintaan spin Hall -efektin vuoksi, voidaan spinit injektoida ferromagneettiseen kerrokseen. Tämä kääntää magnetoitumisen, mikä mahdollistaa muistin kirjoitusoperaatiot.
Samanaikaisesti komposiittirakenteen resistanssi muuttuu magnetointisuunnan myötä USMR-vaikutuksesta johtuen. Koska resistanssi voidaan mitata ulkoisella piirillä, tämä mahdollistaa muistin lukuoperaatiot, joissa data voidaan lukea samalla virtapolulla kuin kirjoitusoperaatiot.
Tähänastisilla materiaaliyhdistelmillä ei kuitenkaan ole saavutettu riittävän suurta USMR-vaikutusta. Tokyo Techin tutkijat kehittivät yhdistelmärakenteen, joka käsitti kerroksen galliummangaaniarsenidia (GaMnAs, ferromagneettinen puolijohde) ja vismutti-antimonidia (BiSb, topologinen eriste). Tällä yhdistelmällä he ovat onnistuneet saamaan jättimäisen USMR-suhteen, mikä tekee mahdolliseksi käyttää tätä ilmiötä reaalimaailman sovelluksissa.
"Tuleva materiaalitekniikan kehitys voi edelleen parantaa USMR-suhdetta, mikä on välttämätöntä USMR-pohjaisille MRAM-piireille. Yli 1 prosentin USMR-suhteen osoittaminen on tärkeä askel kohti tätä tavoitetta, toteavat tutkijat tiedotteessa.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 7.1.2020
