Tabla 1: θ SH :ángulo Hall de giro, σ :conductividad, σ SH :conductividad Hall de giro.
Las cifras de la fila inferior son las obtenidas en el presente estudio. Notablemente, la conductividad de Spin Hall, se muestra en la columna de la derecha, es dos órdenes de magnitud mayor que el récord anterior. Crédito:Pham Nam Hai
Un equipo de investigación dirigido por Pham Nam Hai en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, El Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) ha desarrollado la fuente de corriente de espín puro de mejor rendimiento del mundo hecha de aleaciones de bismuto-antimonio (BiSb), que reportan como el mejor candidato para la primera aplicación industrial de aisladores topológicos. El logro representa un gran paso adelante en el desarrollo de dispositivos de memoria de acceso aleatorio magnetorresistiva de par de giro en órbita (SOT-MRAM) con el potencial de reemplazar las tecnologías de memoria existentes.
El equipo ha desarrollado películas delgadas de BiSb para un aislante topológico que logra simultáneamente un efecto Hall de giro colosal y una alta conductividad eléctrica. Su estudio, publicado en Materiales de la naturaleza , podría acelerar el desarrollo de alta densidad, potencia ultrabaja, y memorias no volátiles ultrarrápidas para Internet de las cosas (IoT) y otras aplicaciones que ahora tienen una demanda cada vez mayor para uso industrial y doméstico.
Las películas delgadas BiSb logran un ángulo Hall de giro de aproximadamente 52, conductividad de 2,5 x 10 5 y conductividad Hall de giro de 1.3 × 10 7 a temperatura ambiente. (Consulte la Tabla 1 para obtener un resumen de desempeño, incluyendo todas las unidades). La conductividad Hall de espín es dos órdenes de magnitud mayor que la del seleniuro de bismuto (Bi 2 Se 3 ), reportado en Naturaleza en 2014.
Hacer de SOT-MRAM una opción viable
Hasta ahora, La búsqueda de materiales de sala de hilatura adecuados para dispositivos SOT-MRAM de próxima generación ha presentado problemas:Primero, metales pesados como el platino, el tantalio y el tungsteno tienen una alta conductividad eléctrica pero un pequeño efecto Hall de giro. Segundo, Los aislantes topológicos investigados hasta la fecha tienen un gran efecto Hall de giro pero baja conductividad eléctrica.
Las películas delgadas BiSb satisfacen ambos requisitos a temperatura ambiente. Esto plantea la posibilidad real de que el SOT-MRAM basado en BiSb pueda superar a la tecnología MRAM de par de transferencia de giro (STT) existente.
"Como SOT-MRAM se puede cambiar un orden de magnitud más rápido que STT-MRAM, la energía de conmutación se puede reducir en al menos dos órdenes de magnitud, "dice Pham". Además, la velocidad de escritura podría aumentarse 20 veces y la densidad de bits aumentada en un factor de diez ".
La viabilidad de estos SOT-MRAM energéticamente eficientes se ha demostrado recientemente en experimentos, aunque usando metales pesados, realizado por IMEC, el centro internacional de I + D e innovación con sede en Lovaina, Bélgica.
Si se amplía con éxito, SOT-MRAM basado en BiSb podría mejorar drásticamente sus contrapartes basadas en metales pesados e incluso volverse competitivo con la memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM), la tecnología dominante de hoy.
Un atractivo, material pasado por alto
BiSb ha tendido a ser pasado por alto por la comunidad de investigadores debido a su pequeña banda prohibida y a los complejos estados de la superficie. Sin embargo, Pham dice:"Desde la perspectiva de la ingeniería eléctrica, BiSb es muy atractivo debido a su alta movilidad de portador, lo que hace que sea más fácil conducir una corriente dentro del material ".
"Sabíamos que BiSb tiene muchos estados de superficie topológicos, lo que significa que podríamos esperar un efecto Hall de giro mucho más fuerte. Es por eso que comenzamos a estudiar este material hace unos dos años ".
Las películas delgadas se cultivaron utilizando un método de alta precisión llamado epitaxia de haz molecular (MBE). Los investigadores descubrieron una orientación de superficie particular llamada BiSb (012), que se cree que es un factor clave detrás del gran efecto Hall de giro. Pham señala que el número de conos de Dirac [6] 0 en la superficie BiSb (012) es otro factor importante, que su equipo está investigando ahora.
Desafíos adelante
Pham está colaborando actualmente con la industria para probar y ampliar el SOT-MRAM basado en BiSb.
"El primer paso es demostrar la capacidad de fabricación, ", dice." Nuestro objetivo es demostrar que todavía es posible lograr un efecto Hall de giro fuerte, incluso cuando las películas delgadas BiSb se fabrican utilizando tecnologías amigables con la industria, como el método de pulverización catódica ".
"Han pasado más de diez años desde la aparición de los aislantes topológicos, pero no estaba claro si esos materiales podrían usarse en dispositivos realistas a temperatura ambiente. Nuestra investigación lleva los aislantes topológicos a un nuevo nivel, donde son muy prometedores para SOT-MRAM de potencia ultrabaja ".
