La realización de la conmutación por magnetización impulsada por el par de giro-órbita a temperatura ambiente en heteroestructuras topológicas de aislante-ferromagnético tiene aplicaciones prometedoras en memorias y dispositivos lógicos de bajo consumo de energía y alta densidad de integración.

La conmutación de magnetización inducida por corriente por par de giro en órbita (SOT) es un ingrediente importante para los dispositivos magnéticos no volátiles modernos, como las memorias magnéticas de acceso aleatorio y los dispositivos lógicos que se requieren para el almacenamiento y la computación de datos de alto rendimiento. Como tal, Los investigadores de todo el mundo están buscando activamente nuevas formas de reducir la alta densidad actual de corriente de conmutación para lograr una conmutación de magnetización impulsada por SOT de alta eficiencia. Investigadores de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) han logrado recientemente un avance significativo en este campo de investigación.

Dirigido por el profesor asociado Yang Hyunsoo del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, el equipo de investigación de NUS tiene, por primera vez, demostró con éxito la conmutación de magnetización a temperatura ambiente impulsada por SOT gigantes en aislantes topológicos / heteroestructuras de ferromagneto convencional (Bi2Se3 / NiFe) con una densidad de corriente extremadamente baja, que puede abordar el problema de la escalabilidad y el alto consumo de energía necesarios en los dispositivos espintrónicos modernos.

Los hallazgos fueron publicados en la revista científica. Comunicaciones de la naturaleza el 8 de noviembre de 2017.

El profesor asociado Yang dijo:"Nuestros hallazgos pueden resolver el obstáculo fundamental de una alta corriente de conmutación en las actuales aplicaciones SOT basadas en metales pesados, y este es un gran paso hacia las aplicaciones de dispositivos espintrónicos basados ​​en aisladores topológicos a temperatura ambiente con disipación de potencia ultrabaja y alta densidad de integración. Creemos que nuestro trabajo vigorizará enormemente las actividades de investigación global basadas en aisladores topológicos de diversas disciplinas ".

Empleando materia cuántica novedosa:aisladores topológicos

Los aislantes topológicos son materiales electrónicos que tienen una banda prohibida a granel como un aislante ordinario, pero aún soportan estados conductores en su superficie, que posee un fuerte acoplamiento espín-órbita y estados de superficie topológica bloqueados por espín-momento (TSS), en el que las direcciones de polarización de espín y momento de los electrones están fuertemente bloqueadas.

"Debido a las propiedades de bloqueo del impulso de giro, a medida que fluye la corriente de carga en el TSS, todos los espines de electrones estarán completamente polarizados en una dirección perpendicular a la dirección del electrón en movimiento. Por lo tanto, Se espera una generación de corriente de espín muy eficiente y, por lo tanto, una eficiencia SOT gigante en los aislantes topológicos ", explicó el Dr. Zhu Dapeng, quien es coautor del estudio y miembro investigador del Departamento.

Aprovechar TSS es crucial para realizar dispositivos SOT basados ​​en aisladores topológicos de alto rendimiento. Sin embargo, en aisladores topológicos típicos como Bi2Se3, los estados de volumen parásitos y el gas de electrones bidimensionales pueden contaminar y / o eliminar la alta eficiencia de SOT en TSS. Para superar esto, el equipo de investigación ha identificado el efecto SOT dominado por TSS en películas ultrafinas Bi2Se3 (≤ 8 nm), exhibiendo una gran eficiencia SOT hasta 1.75 a temperatura ambiente, que es mucho mayor que los valores de ~ 0.01-0.3 en los metales pesados ​​usados ​​convencionalmente.

Dispositivos basados ​​en aisladores topológicos de alto rendimiento para almacenamiento de datos e informática

En los dispositivos tradicionales de metales pesados ​​(como Pt o Ta) / ferromagnet SOT, la densidad de corriente requerida para la conmutación de magnetización sigue siendo alta, en el orden de ~ 107-108 A / cm2, lo que dificulta su uso en aplicaciones SOT de alto rendimiento.

El equipo demostró la conmutación de magnetización inducida por corriente de alta eficiencia a temperatura ambiente utilizando el aislante topológico Bi2Se3 (8 nm), que se puede cultivar en una escala de oblea usando epitaxia de haz molecular (MBE), con un ferromagnet NiFe 3-D convencional (6 nm), que se utiliza ampliamente en diversas industrias.

"Nuestro trabajo presenta con éxito una reducción significativa de la densidad de corriente de conmutación para la conmutación de magnetización mediante la utilización del efecto SOT gigante en Bi2Se3. El valor es de aproximadamente 6 × 105 A / cm2, que es casi dos órdenes de magnitud menor que la de los metales pesados. Este es un hito importante para las aplicaciones de dispositivos SOT de alta densidad de integración y consumo de energía ultrabajo. Es más, nuestros dispositivos funcionan de forma robusta a temperatura ambiente, que supera el límite de temperatura de trabajo ultrabaja en el dispositivo TI anterior ", dijo el Dr. Wang Yi del Departamento, quien es el otro co-primer autor del estudio.

"Nuestro esquema de conmutación de magnetización no requiere un campo magnético de asistencia. Esto hace que los sistemas de material de ferromagnético / aislante topológico sean fáciles de integrar en la tecnología industrial bien establecida para dispositivos magnéticos, "añadió el profesor adjunto Yang.

Avanzando El profesor asociado Yang y su equipo están llevando a cabo experimentos para disminuir aún más la corriente de conmutación refinando aún más los materiales y estructuras de los sistemas. y también planean incorporar y probar la tecnología en dispositivos de memoria magnética central. El equipo espera trabajar con socios de la industria para explorar más a fondo varias aplicaciones con este novedoso sistema de materiales.