美国明尼苏达大学首次在拓扑绝缘体铁磁体双层材料中发现磁阻现象

导读

近日，美国明尼苏达大学研究人员领导了一项新科研项目，探索出一种涉及磁阻效应的新型拓扑绝缘体。未来，这种拓扑绝缘体将改善计算机计算与存储。

背景

超过半个世纪以来，磁材料广泛应用于磁带、软盘、计算机硬盘驱动器等存储设备中，存储着大量电子信息包括有价值的知识和记忆。

近些年来，一种新物理现象：“磁致电阻”（magnetoresistance）引起了科学界的广泛关注。这种材料已成功应用于硬盘驱动器读头、磁场传感器和存储器方面的新兴技术：磁阻随机存取存储器 （MRAM）。

当施加于这种材料的外部磁场或者材料自身的磁场强度改变时，这种材料的电阻会发生变化。金属或半导体的载流子在磁场中运动时，由于受到电磁场的变化产生的洛伦兹力作用，从而产生出磁阻效应。

磁阻效应是1857年由英国物理学家威廉·汤姆森发现的，它在金属里可以忽略，在半导体中则可能由小到中等。从一般磁阻开始，磁阻发展经历了巨磁阻（GMR）、庞磁阻（CMR）、穿隧磁阻（TMR）、直冲磁阻（BMR）和异常磁阻（EMR）。

其中，最值得关注的是穿隧磁阻效应。它是指在铁磁-绝缘体薄膜(约1纳米)-铁磁材料中，其穿隧电阻大小随两边铁磁材料相对方向变化的效应。此效应首先于1975年由 MichelJulliere 在铁磁材料(Fe)与绝缘体材料(Ge)发现。然而，室温穿隧磁阻效应则于1995年，由 TerunobuMiyazaki 与Moodera 分别发现。此效应更成为了磁阻随机存取器与硬盘中的磁性读头的科学基础。

例如，去年笔者介绍过新加坡国立大学副教授 Yang Hyunsoo 带领的研究团队成功地将磁存储芯片嵌入到塑料材料中，在柔性材料上制造出存储芯片。这项研究中的存储芯片就是基于MRAM，它采用氧化镁（MgO）的磁隧道结来存储数据。

（图片来源： 维基百科）

创新

近日，美国明尼苏达大学研究人员领导了一项新科研项目，探索出一种涉及磁阻效应的新型拓扑绝缘体。未来，这种拓扑绝缘体将改善计算机计算与存储。他们将研究的细节发表在最近一期的科技期刊《自然通信》（Nature Communications）。

技术

虽然磁记录法在数据存储应用中仍占据着首要位置，但是磁阻随机存取存储器正逐渐在计算机存储领域的占有一席之地。从外部看，它们不像硬盘驱动器那样具有机械旋转的磁盘和摆动的磁头，它们更像一种其他类型的存储器。它们是一些芯片（固态），这些芯片焊接在计算机或者移动设备的电路板上。

最近，一组称为“拓扑绝缘体”的材料已经用于进一步改善磁阻随机存储电子单元的写数据的能量效率。然而，新设备的几何形状需要一种新的磁致电阻现象，从而完成三维系统和网络中的存储单元的读数据功能。

最近，科学家们发现了传统金属双层材料系统中的单向自旋霍尔磁阻。随后，明尼苏达大学的研究人员与宾夕法尼亚州立大学的同事们合作，在拓扑绝缘体-铁磁体双层中，首次展示出这种磁致电阻现象的存在。

下图是磁阻效应的示意图。电子自旋在拓扑绝缘体中产生。那些处于铁磁体和拓扑绝缘体接口处的电子自旋与铁磁体产生交互作用，从而为设备带来高电阻或者低电阻，这一点取决于磁场和自旋的相对方向。

（图片来源： 明尼苏达大学）

下图展示了霍尔电阻的测量装置以及霍尔电阻在不同条件下的变化。

（图片来源： 参考资料【2】）

价值

这项研究确认了这种单向磁致电阻的存在，并揭示出相比于重金属，采用拓扑绝缘体能在150开尔文（-123.15 摄氏度）下将磁致电阻的性能翻倍。这项研究通过增加之前缺失的或者说非常不便的读数据功能，创建出一种涉及拓扑绝缘体的三维和横条类型的计算机和存储设备，从应用的角度说，它的意义如同拼图中缺少的那一块。

明尼苏达大学电气和计算机工程系教授、明尼苏达大学自旋电子材料、接口和新型结构中心（C-SPIN）主任、论文的合著者 Jian-Ping Wang 表示：“对于未来半导体工业的低功耗计算和存储（例如：类脑计算、机器人芯片、三维磁存储器）的改进来说，我们的研究就如同拼图中缺少的那一块。”

关键字

存储器、磁、半导体

参考资料

【1】https://cse.umn.edu/news-release/new-discovery-improve-brain-like-memory-computing/

【2】Yang Lv, James Kally, Delin Zhang, Joon Sue Lee, Mahdi Jamali, Nitin Samarth, Jian-Ping Wang. Unidirectional spin-Hall and Rashba−Edelstein magnetoresistance in topological insulator-ferromagnet layer heterostructures. Nature Communications, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-02491-3

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