「零場開關」效應：有望帶來新一代低功耗計算和存儲器件！

導讀

近日，美國約翰霍普金斯大學和美國國家標準與技術研究院合作開發出一種新技術，僅僅需要發送一個電流，而無需外加磁場，就能以穩定的方式，快速反轉CoFeB 的磁化強度。

背景

當今時代，電子產品在我們的生活中無處不在。大多數電子產品都是利用了電子的電荷特性，例如：電荷的定向運動會形成電流，從而傳輸和處理信息數據。但是，電子除了具有電荷這一特性外，還有一個非常重要但是未得到充分利用的量子力學特性：自旋（spin）。有一門新興的學科專門研究如何操控電子自旋，它就是：「自旋電子學 （Spintronics）」。

「自旋電子學」，為我們帶來了許多新型電子器件，它們可以用於邏輯運算的處理，也可用於存儲數據，未來更有望實現邏輯運算和數據存儲功能合二為一的新型器件。之前，筆者介紹過許多的有關自旋電子學的創新成果，下面舉三個典型案例，讓大家有一個更直接更直觀的認識。

• 荷蘭格羅寧根大學開發的基於磁振子的自旋晶體管

（圖片來源：L. Cornelissen）

• 德國凱澤斯勞滕工業大學利用自旋流生成太赫茲波

（圖片來源：TUK）

• 德國美因茨大學、康士坦茨大學與日本東北大學合作開發的自旋閥結構

（圖片來源：Joel Cramer ）

自旋電子學創造出的新型電子器件具有體積小 、速度快 、功耗小等優勢，在後摩爾時代，自旋電子器件有望成為傳統半導體器件的替代品。

創新

今天，讓我們繼續有關自旋電子學的話題。近日，美國約翰霍普金斯大學（Johns Hopkins University）和美國國家標準與技術研究院（NIST）之間的合作研究取得突破。團隊發現，他們能以一種穩定方式，在0和1兩個狀態之間，快速反轉 CoFeB 的磁化強度，僅需要讓電流通過與納米磁體 CoFeB 鄰近的Pt 和W 金屬層，而無需外加磁場。這種「零場開關」（ZFS）效應讓人非常驚喜，因為之前並沒有理論預測到這一現象。

研究團隊包括NIST科學家 Daniel Gopman、 Robert
Shull 、NIST訪問研究員 Yury Kabanov、約翰霍普金斯大學研究員Qinli Ma、Yufan Li、教授Chia-Ling Chien，這項研究成果於近日發表在《物理評論快報（Physical Review Letters）》雜誌上。

技術

為了更好地理解這一創新技術，讓我們先來看一幅圖（這幅圖很好地詮釋了這項技術的原理）：

（圖片來源：Gopman/NIST）

如圖所示：在硅基底的表面上，鉑（Pt）、鎢（W）、鈷-鐵-硼（CoFeB）磁體形成三明治狀的分層結構，結構兩端是金電極（Au）。灰色箭頭描繪出電流方向：從後方的金觸點注入到結構中，並從前方的金觸點流出。

納米厚度的磁體 CoFeB 層存儲著比特數據，"1" 對應於 CoFeB 磁化強度朝上（向上的箭頭），"0" 對應於 CoFeB 磁化強度朝下（向下的箭頭）。電氣和光學這兩種方式都可以讀出"0" 和 "1"，因為磁化強度改變了照射在材料上的光線的反射光，這一現象也稱為「磁光克爾效應」（MOKE）。

這個器件中的電流，可以在0和1之間，快速切換數據狀態。先前的此類器件會需要磁場或者其他更加複雜的測量，改變材料的磁化強度。那些早期的器件對於構建穩定、非易失性的存儲器件來說，並不是非常有用。

在這項研究中，科研人員創造出一種特殊的電流，也稱為「自旋流」。顧名思義，「自旋流」中的電子具有自旋特性。自旋流可以理解為一種簡單的電流，其中的電子自旋都指向同一方向。當電子通過材料時，它的自旋和移動之間的相互作用（也稱為：自旋軌道轉矩，SOT）會產生出自旋流，其中具有同一自旋狀態的電子向垂直於電流的同一方向移動，而自旋狀態相反的電子則向相反方向移動。

結果，電子自旋移動到鄰近CoFeB 磁層時，會向這一層施加一個轉矩，引起它的磁化強度反轉。如果沒有自旋流，CoFeB 磁化強度對於任何電流和溫度的起伏來說都是穩定的。這種意想不到的ZFS效應，向理論家們提出一個新問題，也就是關於實驗觀察到的SOT引發的開關現象。

自旋軌道轉矩的細節上面的圖片所示：紫色箭頭表示每一層中的自旋。藍色彎曲箭頭表示那種自旋方向被改變。例如，在W層中（在x-y平面中），朝左自旋的電子，變為朝著上方的CoFeB 移動；朝右自旋的電子，變為朝著下方的 Pt 層移動。在Pt 層中（在x-y平面中），朝右自旋的電子，變為朝著上方的W層移動；朝左自旋的電子會朝著下方的Si
層移動。這與W層自旋的電子正在移動的方向相反，這是因為Pt 層中移動的電子和W
層中移動的電子所經歷的SOT存在差異。實際上，電子通過這兩個導體的方式不同，對於這種非同尋常的ZFS現象的發生來說，這一點很重要。

價值

這項研究將帶來比現有設備更小型化、更低功耗的存儲和計算設備。未來研究人員將繼續研究找出其他的前瞻性材料，這些材料能夠帶來單個垂直納米磁體的「零場開關」。此外，他們還將在更小橫向尺寸的納米磁體中研究ZFS行為的變化，為這種開關現象發展理論基礎。

關鍵字

自旋電子學、磁、電子

參考資料

【1】https://www.nist.gov/topics/materials/zero-field-switching-zfs-effect-nanomagnetic-device

【2】Q. Ma, Y. Li, D. B. Gopman, Y. Kabanov, R. D. Shull and C.-L. Chien.
Switching a perpendicular ferromagnetic layer by competing spin
currents. Physical Review Letters. Published online 16 March 2018. DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.117703

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