[科普中國(guó)]-自旋霍爾寫(xiě)入電流

考慮利用自旋霍爾效應(yīng)輔助自旋轉(zhuǎn)移矩(Spin-Hall-Assisted STT) 實(shí)現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn)，在這種方式中，最終的磁化翻轉(zhuǎn)仍舊由傳統(tǒng)的自旋轉(zhuǎn)移矩完成，但伴有自旋霍爾效應(yīng)的輔助，因此該過(guò)程需要分別流經(jīng)磁隧道結(jié)和重金屬薄膜的兩條寫(xiě)入電流，負(fù)責(zé)產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)移矩和自旋霍爾效應(yīng)，這里的寫(xiě)入電流即為自旋霍爾寫(xiě)入電流。

原理當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一附加電場(chǎng)，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，這個(gè)電勢(shì)差也被稱為霍爾電勢(shì)差。霍爾效應(yīng)使用左手定則判斷。

當(dāng)流經(jīng)重金屬的電流低于某一閾值時(shí)，自旋電子儲(chǔ)存信息的寫(xiě)入通過(guò)磁化翻轉(zhuǎn)，磁化翻轉(zhuǎn)的過(guò)程仍舊由自旋轉(zhuǎn)移矩主導(dǎo)，自旋霍爾效應(yīng)（或自旋軌道矩）只起次要作用;當(dāng)電流高于閾值時(shí)，磁化翻轉(zhuǎn)過(guò)程與傳統(tǒng)的自旋轉(zhuǎn)移矩方式完全不同，磁化向量在極短的時(shí)間內(nèi)越過(guò)面內(nèi)方向，表明自旋軌道矩消除了初始延遲，主導(dǎo)了磁化翻轉(zhuǎn)過(guò)程。但是，這種情況下，磁化向量并未被完全翻轉(zhuǎn)，表明自旋軌道矩在寫(xiě)入的后期起到阻礙作用，因此需要在合適的時(shí)間移除。最終形成的寫(xiě)入方式:沿重金屬通入大于閾值的電流，在大約0.5ns的時(shí)刻撤除該電流，由自旋轉(zhuǎn)移矩完成后續(xù)的磁化翻轉(zhuǎn)過(guò)程。這種寫(xiě)入方式消除了初始延遲，提高了寫(xiě)入速度。但這種寫(xiě)入方式并未使讀寫(xiě)路徑分開(kāi)，仍有部分電流經(jīng)過(guò)磁隧道結(jié)以產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)移矩，盡管如此，由于有自旋霍爾效應(yīng)的輔助，流經(jīng)磁隧道結(jié)的電流可以降至較低的水平，減小勢(shì)壘擊穿的概率。

信息寫(xiě)入自旋軌道矩寫(xiě)入方式的思路是借助反鐵磁材料產(chǎn)生交換偏置場(chǎng)，以此取代外加磁場(chǎng)。近期利用該技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了具有垂直磁各向異性的磁性薄膜的磁化翻轉(zhuǎn)。他們?cè)O(shè)計(jì)的器件結(jié)構(gòu)中，PtMn和IrMn均為反鐵磁材料，與之接觸的Co/Ni和Co均為具有垂直磁各向異性的磁性材料。交換偏置場(chǎng)由“反鐵磁/鐵磁”界面產(chǎn)生，其作用等效于外加磁場(chǎng)（Hext）。自旋霍爾效應(yīng)由Pt產(chǎn)生，由反鐵磁材料PtMn產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了磁化翻轉(zhuǎn)在交換偏置場(chǎng)和自旋霍爾效應(yīng)的作用下完成，且寫(xiě)入電流和交換偏置場(chǎng)的大小與早期Liu的測(cè)量結(jié)果基本吻合。此外，他們的這兩項(xiàng)研究還觀測(cè)到另外一個(gè)重要現(xiàn)象:磁化翻轉(zhuǎn)的大小可根據(jù)電流強(qiáng)弱連續(xù)調(diào)節(jié)。該現(xiàn)象的可能成因是反鐵磁材料的多晶態(tài)導(dǎo)致交換偏置場(chǎng)方向呈現(xiàn)非均勻分布，因此，在特定的寫(xiě)入電流作用下，磁化翻轉(zhuǎn)無(wú)法一致完成。磁化的可調(diào)性能夠用于實(shí)現(xiàn)自旋憶阻器，從而使自旋軌道矩在類腦計(jì)算領(lǐng)域得到應(yīng)用。1

應(yīng)用前景自旋儲(chǔ)存器的應(yīng)用前景并不局限于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)體系，還能夠擴(kuò)展到其他諸多領(lǐng)域，甚至有望成為通用存儲(chǔ)器（UniversalMemory）。例如，寶馬公司在發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊采用MRAM以保證數(shù)據(jù)在斷電情況下不丟失。鑒于磁性存儲(chǔ)具有抗輻射的優(yōu)勢(shì)，空客公司在A350的飛行控制系統(tǒng)中采用MRAM以防止射線造成數(shù)據(jù)破壞。此外，在物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等新興應(yīng)用領(lǐng)域，泛在的傳感器終端需要搜集數(shù)據(jù)，為節(jié)省存儲(chǔ)功耗，使用非易失性存儲(chǔ)器勢(shì)在必行，STT-MRAM以其相對(duì)優(yōu)良的性能成為熱門的候選器件。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

任毅如 - 副教授 - 湖南大學(xué)