通过自旋电子随机存取存储器来深入研究自旋

（文章来源：量子认知）

我们许多人都知道，随机存取存储器（Random Access Memory，缩写：RAM；也叫主存）是与电脑的中央处理器直接交换数据的内部存储器。它可以随时读写，而且速度很快，通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储介质。

与传统的RAM存储器不同，磁性随机存取存储器（Magnetoresistive Random Access Memory，缩写为MRAM）中的数据不作为电荷或电流流动存储，而是由磁存储元件存储。 这些元件由两个铁磁性板形成，每个铁磁板可以保持由薄的绝缘层分开的磁化。两个板之一是设置为特定极性的永磁体；另一个板的磁化可以改变以匹配外部磁场的磁化来存储存储器。 这种配置被称为磁性隧道结，是磁性随机存取存储器位的最简单的结构。存储设备由这样的“单元”的网格构建。

东京工业大学（Tokyo Tech）的科学家最近新研发的一种新的材料组合，是基于电子的固有特性自旋的磁性随机存取存储器。这项创新可能会胜过当前的存储设备。他们的突破发表在一项新的研究中，描述了一种利用拓扑材料中与自旋相关的现象的新策略，并且可以促进自旋电子学领域的发展。此外，这项研究为自旋相关现象的潜在机制提供了更多的见解。

自旋电子学是现代技术领域，其中电子的自旋或角动量起主要作用。实际上，集体自旋排列是磁性材料具有奇怪特性的原因，磁性材料通常用于现代电子产品中。研究人员一直在尝试操纵某些材料中与自旋相关的特性，特别是对于非易失性存储器。磁性非易失性存储器（MRAM）在功耗和速度方面将超过当前的半导体存储技术。

研究人员最近在《应用物理学》杂志上发表了有关单向自旋霍尔磁阻（USMR）的研究，该现象与自旋有关，可用于开发结构简单的具有单向自旋霍尔效应的磁性非易失性存储器。自旋霍尔效应导致电子在材料的侧面以一定的自旋积累。自旋霍尔效应在被称为拓扑绝缘体的材料中特别强大，通过将拓扑绝缘体与铁磁半导体相结合，可以产生巨大的自旋霍尔磁阻。

这样的材料组合通过支持读取和写入操作充当存储单元。拓扑绝缘体材料的自旋注入会逆转铁磁材料的磁化，表示“写入”操作。此外，自旋注入还可以改变材料的整体电阻，该电阻可以通过代表“读取”操作的外部电路进行检测。

当具有相同自旋的电子积聚在两种材料之间的界面上时，由于自旋霍尔效应，自旋可以注入铁磁层并翻转其磁化强度，从而允许进行存储器写操作，这意味着存储设备中的数据可以重写。同时，由于自旋霍尔磁阻效应，复合结构的电阻随磁化方向变化。可以使用外部电路来测量电阻，从而允许进行存储器读取操作，可以使用与写入操作相同的电流路径来读取数据。

这项研究将可能在自旋电子学的发展中起重要作用，将有利于深入研究强大的电子自旋现象。传统的磁性非易失性存储器结构需要大约30个超薄层，这对制造非常具有挑战性。通过使用自旋霍尔磁阻进行读出操作，存储单元仅需要两层。 通过提高自旋霍尔磁阻比率，这对于基于自旋霍尔磁阻的磁性非易失性存储器具有极其简单的结构和快速读取至关重要。
       （责任编辑：fqj）