新型自旋電子存儲器：效率與穩定性大幅提升！
背景
如今，人類正處於一個信息大爆炸的時代，全球產生的數字信息量是前所未有的。
因此，人類對於低成本、低功耗、高穩定性、高可擴展性的存儲與計算產品的需求日益增長。傳統的存儲技術越來越無法滿足上述需求，科學家們正在探索各種新型存儲技術。先前的文章中，筆者多次介紹有關存儲技術方面的創新成果。
然而，其中一條重要的途徑，便是新型自旋電子材料。在自旋電子材料中，數字信息會存儲在微型磁體「向上」或者「向下」的自旋狀態中。首先，讓我們一起來看幾個經典的研究案例：
1）德國美因茨大學的物理學家們展示了在反鐵磁體中讀出和寫入數字信息是技術上可行的，未來有望帶來超高速、穩定的磁存儲器。
（圖片來源：參考資料【2】）
2）日本東北大學研究人員開發出一個計算機方案，可以為電子、它們之間的自旋交互、它們對激光的反應進行建模。該方案為：採用超高速激光脈衝，激發磁性材料中的電子，使之切換到瞬態無磁性狀態，從而減少操控材料磁性的時間，改善磁存儲和信息處理技術。
（圖片來源：Sumio Ishihara）
3）新加坡國立大學的科研人員發明了一種新型超薄多層膜，能夠有效利用一種手型自旋結構單元：斯格明子，進行信息的存儲，它被廣泛研究認為是下一代數據存儲和邏輯設備的主要信息載體。
（圖片來源於：參考資料【3】）
4）莫斯科物理技術學院（MIPT）的科學家們以及他們來自德國和荷蘭的同事們，為了發現太赫茲輻射是否可以用於便捷的存儲狀態轉換（存儲「磁比特」信息），採用銩鐵氧體（TmFeO?）進行實驗。該實驗為開發超高速存儲器奠定了基礎。
下圖展示了銩鐵氧體（TmFeO?）的自旋以及晶體結構--位於圖片左側；太赫茲射線引發的銩離子能級轉變，觸發連貫的自旋動力學效果（存儲開關）--位於圖片右側。
（圖片來源: 莫斯科物理技術學院新聞辦公室）
4）美國約翰霍普金斯大學與美國國家標準與技術研究院合作開發出一種新技術，僅需發送一個電流，無需外加磁場，就能以穩定的方式，快速反轉 CoFeB 的磁化強度。
（圖片來源：Gopman/NIST）
雖然，基於鐵磁體的自旋電子存儲產品能夠滿足上述需求，但是由於可擴展性與穩定性問題，它們仍然非常昂貴。
創新
近日，新加坡國立大學（NUS）的工程師們領導的國際科研團隊發明了一種新型磁性器件。與商用的「自旋電子」數字存儲器相比，這種器件操控數字信息的效率高20倍，穩定性高10倍。這種新型自旋電子存儲器件採用了亞鐵磁體。
下圖所示：由新加坡國立大學工程系 Yang Hyunsoo（右） 副教授領導的科研團隊發現，亞鐵磁體器件比商用的自旋電子數字存儲器的效率與穩定性都更高。
（圖片來源：新加坡國立大學）
新型自旋電子存儲器件是由新加坡國立大學與日本名古屋的豐田工業大學以及韓國首爾的高麗大學合作開發的。這項新型自旋電子存儲器件的新發明，於2018年12月3日在《自然材料（Nature Materials）》期刊上被首次報道。
技術
Yu Jiawei 博士在新加坡國立大學作為博士生學習時，參與了這個項目。他說：「基於鐵磁體的存儲器的生長無法超越幾納米的厚度，因為它們的寫入效率隨著厚度增長呈指數衰減。針對正常的溫度變化，這一厚度範圍不足以保證存儲數據的穩定性。」
為了應對這些挑戰，團隊採用了一種「有意思」的磁材料：亞鐵磁體，來製造磁存儲器件。關鍵是，他們發現亞鐵磁性材料能夠生長至10倍的厚度，而不會影響整體的數據寫入效率。
與鐵磁體相比，FIM中的自旋相干長度增加的半經典演示。（圖片來源：參考資料【4】）
鐵磁體與亞鐵磁體薄膜堆中的自旋軌道轉矩對比（圖片來源：參考資料【4】）
鐵磁性與亞鐵磁性多層中的自旋軌道轉矩有效場與開關效率（圖片來源：參考資料【4】）
自旋泵浦測量（圖片來源：參考資料【4】）
CoTb 合金樣本的特性（圖片來源：參考資料【4】）
研究團隊成員、博士研究生 Rahul Mishra 先生解釋道：「載流電子的自旋，基本上代表了你要寫入的數據。在亞鐵磁體中，載流電子的自旋遇到的阻擋最少。你可以想像，在一條八車道高速公路上開車時，與在狹窄的城市街道上開車時的效率差異。鐵磁體就像一條為電子自旋準備的城市街道，而亞鐵磁體就像一條高速公路，在高速公路上，電子的自旋或者所包含的信息能跨越很長距離保存下來。」
新加坡國立大學的研究人員採用電子流將信息寫入到亞鐵磁體存儲元件中去。這種存儲元件比鐵磁體的穩定性高10倍，效率高20倍。
為了這一探索，新加坡國立大學電子與計算機工程系副教授、這個項目的領頭人 Yang Hyunsoo 副教授的團隊利用了亞鐵磁體中獨特的原子排列。Yang 副教授表示：「在亞鐵磁體中，臨近的原子磁體的磁性相反。因為一個原子對自旋的干擾會被下一個原子所補償，所以信息以更少的功率傳輸得更快更遠。我們希望，計算與存儲工業能夠利用我們的發明，改善新興自旋存儲器的性能以及數據保持功能。」
價值
這項突破有望加速基於自旋的存儲器件的商業增長。Yang 副教授表示：「我們的發現有望為自旋電子工業提供一個平台。目前，由於超薄的磁性元件的使用，自旋電子工業正在努力解決圍繞著不穩定性與可擴展性的相關問題。」
未來
新加坡國立大學的科研團隊正在計劃研究他們的器件的數據寫入和讀出速度。他們期望，他們器件的獨特原子特性也將帶來超高速的性能。此外，他們在計劃與工業合作夥伴展開合作，加速他們的發現的商業轉化。
關鍵字
存儲技術、自旋電子、磁
參考資料
【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
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