新加坡国立大学：发明突破性的“自旋电子”存储器！

导读

近日，新加坡国立大学的工程师们领导的国际科研团队发明了一种新型磁性器件。与商用的“自旋电子”数字存储器相比，这种器件操控数字信息的效率高20倍，稳定性高10倍。这种新型自旋电子存储器件采用了亚铁磁体。

背景

如今，人类正处于一个信息大爆炸的时代，全球产生的数字信息量是前所未有的。

因此，人类对于低成本、低功耗、高稳定性、高可扩展性的存储与计算产品的需求日益增长。传统的存储技术越来越无法满足上述需求，科学家们正在探索各种新型存储技术。先前的文章中，笔者多次介绍有关存储技术方面的创新成果。

然而，其中一条重要的途径，便是新型自旋电子材料。在自旋电子材料中，数字信息会存储在微型磁体“向上”或者“向下”的自旋状态中。首先，让我们一起来看几个经典的研究案例：

1）德国美因茨大学的物理学家们展示了在反铁磁体中读出和写入数字信息是技术上可行的，未来有望带来超高速、稳定的磁存储器。

（图片来源：参考资料【2】）

2）日本东北大学研究人员开发出一个计算机方案，可以为电子、它们之间的自旋交互、它们对激光的反应进行建模。该方案为：采用超高速激光脉冲，激发磁性材料中的电子，使之切换到瞬态无磁性状态，从而减少操控材料磁性的时间，改善磁存储和信息处理技术。

（图片来源：Sumio Ishihara）

3）新加坡国立大学的科研人员发明了一种新型超薄多层膜，能够有效利用一种手型自旋结构单元：斯格明子，进行信息的存储，它被广泛研究认为是下一代数据存储和逻辑设备的主要信息载体。

（图片来源于：参考资料【3】）

4）莫斯科物理技术学院（MIPT）的科学家们以及他们来自德国和荷兰的同事们，为了发现太赫兹辐射是否可以用于便捷的存储状态转换（存储“磁比特”信息），采用铥铁氧体（TmFeO₃）进行实验。该实验为开发超高速存储器奠定了基础。

下图展示了铥铁氧体（TmFeO₃）的自旋以及晶体结构--位于图片左侧；太赫兹射线引发的铥离子能级转变，触发连贯的自旋动力学效果（存储开关）--位于图片右侧。

（图片来源: 莫斯科物理技术学院新闻办公室）

4）美国约翰霍普金斯大学与美国国家标准与技术研究院合作开发出一种新技术，仅需发送一个电流，无需外加磁场，就能以稳定的方式，快速反转 CoFeB 的磁化强度。

（图片来源：Gopman/NIST）

虽然，基于铁磁体的自旋电子存储产品能够满足上述需求，但是由于可扩展性与稳定性问题，它们仍然非常昂贵。

创新

近日，新加坡国立大学（NUS）的工程师们领导的国际科研团队发明了一种新型磁性器件。与商用的“自旋电子”数字存储器相比，这种器件操控数字信息的效率高20倍，稳定性高10倍。这种新型自旋电子存储器件采用了亚铁磁体。

下图所示：由新加坡国立大学工程系 Yang Hyunsoo（右） 副教授领导的科研团队发现，亚铁磁体器件比商用的自旋电子数字存储器的效率与稳定性都更高。

（图片来源：新加坡国立大学）

新型自旋电子存储器件是由新加坡国立大学与日本名古屋的丰田工业大学以及韩国首尔的高丽大学合作开发的。这项新型自旋电子存储器件的新发明，于2018年12月3日在《自然材料（Nature Materials）》期刊上被首次报道。

技术

Yu Jiawei 博士在新加坡国立大学作为博士生学习时，参与了这个项目。他说：“基于铁磁体的存储器的生长无法超越几纳米的厚度，因为它们的写入效率随着厚度增长呈指数衰减。针对正常的温度变化，这一厚度范围不足以保证存储数据的稳定性。”

为了应对这些挑战，团队采用了一种“有意思”的磁材料：亚铁磁体，来制造磁存储器件。关键是，他们发现亚铁磁性材料能够生长至10倍的厚度，而不会影响整体的数据写入效率。

与铁磁体相比，FIM中的自旋相干长度增加的半经典演示。（图片来源：参考资料【4】）

铁磁体与亚铁磁体薄膜堆中的自旋轨道转矩对比（图片来源：参考资料【4】）

铁磁性与亚铁磁性多层中的自旋轨道转矩有效场与开关效率（图片来源：参考资料【4】）

自旋泵浦测量（图片来源：参考资料【4】）

CoTb 合金样本的特性（图片来源：参考资料【4】）

研究团队成员、博士研究生 Rahul Mishra 先生解释道：“载流电子的自旋，基本上代表了你要写入的数据。在亚铁磁体中，载流电子的自旋遇到的阻挡最少。你可以想象，在一条八车道高速公路上开车时，与在狭窄的城市街道上开车时的效率差异。铁磁体就像一条为电子自旋准备的城市街道，而亚铁磁体就像一条高速公路，在高速公路上，电子的自旋或者所包含的信息能跨越很长距离保存下来。”

新加坡国立大学的研究人员采用电子流将信息写入到亚铁磁体存储元件中去。这种存储元件比铁磁体的稳定性高10倍，效率高20倍。

为了这一探索，新加坡国立大学电子与计算机工程系副教授、这个项目的领头人 Yang Hyunsoo 副教授的团队利用了亚铁磁体中独特的原子排列。Yang 副教授表示：“在亚铁磁体中，临近的原子磁体的磁性相反。因为一个原子对自旋的干扰会被下一个原子所补偿，所以信息以更少的功率传输得更快更远。我们希望，计算与存储工业能够利用我们的发明，改善新兴自旋存储器的性能以及数据保持功能。”

价值

这项突破有望加速基于自旋的存储器件的商业增长。Yang 副教授表示：“我们的发现有望为自旋电子工业提供一个平台。目前，由于超薄的磁性元件的使用，自旋电子工业正在努力解决围绕着不稳定性与可扩展性的相关问题。”

未来

新加坡国立大学的科研团队正在计划研究他们的器件的数据写入和读出速度。他们期望，他们器件的独特原子特性也将带来超高速的性能。此外，他们在计划与工业合作伙伴展开合作，加速他们的发现的商业转化。

关键字

存储技术、自旋电子、磁

参考资料

【1】http://news.nus.edu.sg/press-releases/nus-engineers-invent-groundbreaking-spin-based-memory-device

【2】S. Y. Bodnar et al., Writing and reading antiferromagnetic Mn2Au by Néel spin-orbit torques and large anisotropic magnetoresistance, Nature Communications 9, 24 January 2018, DOI:10.1038/s41467-017-02780-x

【3】Pollard, S. D., Garlow, J. A., Yu, J., Wang, Z., Zhu, Y., & Yang, H. (2017, March 10). Observation of stable Néel skyrmions in cobalt/palladium multilayers with Lorentz transmission electron microscopy. Nature Communications.

【4】Jiawei Yu, Do Bang, Rahul Mishra, Rajagopalan Ramaswamy, Jung Hyun Oh, Hyeon-Jong Park, Yunboo Jeong, Pham Van Thach, Dong-Kyu Lee, Gyungchoon Go, Seo-Won Lee, Yi Wang, Shuyuan Shi, Xuepeng Qiu, Hiroyuki Awano, Kyung-Jin Lee, Hyunsoo Yang. Long spin coherence length and bulk-like spin–orbit torque in ferrimagnetic multilayers. Nature Materials, 2018; DOI: 10.1038/s41563-018-0236-9