Los científicos han desarrollado la fuente de corriente de espín puro de mejor rendimiento del mundo [1] hecha de aleaciones de bismuto-antimonio BiSb, que informan como el mejor candidato para la primera aplicación industrial de aisladores topológicos [2]. El logro representa ungran paso adelante en el desarrollo de dispositivos de memoria de acceso aleatorio magnetorresistivo de torque de órbita giratoria SOT-MRAM [3] con el potencial de reemplazar las tecnologías de memoria existentes.
Un equipo de investigación dirigido por Pham Nam Hai en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Instituto de Tecnología de Tokio Tokyo Tech, ha desarrollado películas delgadas de BiSb para un aislante topológico que simultáneamente logra un efecto Hall colosal [4] yalta conductividad eléctrica
Su estudio, publicado en Materiales de la naturaleza , podría acelerar el desarrollo de memorias no volátiles ultrarrápidas de alta densidad, potencia ultrabaja y ultrarrápida para Internet de las cosas IoT y otras aplicaciones que ahora son cada vez más demandadas para uso industrial y doméstico.
Las películas delgadas BiSb logran un colosal ángulo de giro de Hall de aproximadamente 52, conductividad de 2.5 x 10 5 y spin Hall conductividad de 1.3 × 10 7 a temperatura ambiente. Consulte la Tabla 1 para ver un resumen del rendimiento, incluidas todas las unidades. Notablemente, la conductividad de la sala de spin es dos órdenes de magnitud mayor que la del seleniuro de bismuto Bi 2 Se 3 , informado en Naturaleza en 2014
Hacer de SOT-MRAM una opción viable
Hasta ahora, la búsqueda de materiales Spin Hall adecuados para dispositivos SOT-MRAM de próxima generación se ha enfrentado a un dilema: en primer lugar, los metales pesados como el platino, el tantalio y el tungsteno tienen una alta conductividad eléctrica pero un pequeño efecto Hall de espín. Segundo, los aisladores topológicos investigados hasta la fecha tienen un gran efecto Hall de rotación pero baja conductividad eléctrica.
Las películas delgadas BiSb satisfacen ambos requisitos a temperatura ambiente. Esto aumenta la posibilidad real de que SOT-MRAM basado en BiSb pueda superar el rendimiento de la tecnología MRAM de torque de transferencia de giro STT existente.
"Como SOT-MRAM puede cambiarse un orden de magnitud más rápido que STT-MRAM, la energía de conmutación puede reducirse al menos en dos órdenes de magnitud", dice Pham. "Además, la velocidad de escritura podría aumentarse 20 veces yla densidad de bits aumentó en un factor de diez "
La viabilidad de tales SOT-MRAM de eficiencia energética se ha demostrado recientemente en experimentos, aunque utilizando metales pesados, realizados por IMEC, el centro internacional de I + D e innovación con sede en Lovaina, Bélgica.
Si se amplía con éxito, SOT-MRAM basado en BiSb podría mejorar drásticamente sus contrapartes basadas en metales pesados e incluso volverse competitivo con la memoria dinámica de acceso aleatorio DRAM, la tecnología dominante de hoy en día.
Un material atractivo, pasado por alto
BiSb ha tendido a ser pasado por alto por la comunidad investigadora debido a su pequeño intervalo de banda [5] y complejos estados de superficie. Sin embargo, Pham dice: "Desde una perspectiva de ingeniería eléctrica, BiSb es muy atractivo debido a su alta movilidad portadora,facilita la conducción de una corriente dentro del material "
"Sabíamos que BiSb tiene muchos estados de superficie topológicos, lo que significa que podríamos esperar un efecto Hall de giro mucho más fuerte. Es por eso que comenzamos a estudiar este material hace unos dos años".
Las películas delgadas se cultivaron utilizando un método de alta precisión llamado epitaxia de haz molecular MBE. Los investigadores descubrieron una orientación de superficie particular llamada BiSb 012, que se cree que es un factor clave detrás del gran efecto Hall. Phamseñala que el número de conos de Dirac [6] 0 en la superficie BiSb 012 es otro factor importante, que su equipo ahora está investigando.
Desafíos por delante
Pham está colaborando actualmente con la industria para probar y ampliar SOT-MRAM basado en BiSb.
"El primer paso es demostrar la capacidad de fabricación", dice. "Nuestro objetivo es mostrar que todavía es posible lograr un fuerte efecto Hall de giro, incluso cuando las películas delgadas BiSb se fabrican utilizando tecnologías amigables para la industria, como el método de pulverización catódica".
"Han pasado más de diez años desde la aparición de aislantes topológicos, pero no estaba claro si esos materiales podrían usarse en dispositivos realistas a temperatura ambiente. Nuestra investigación lleva los aislantes topológicos a un nuevo nivel, donde son muy prometedores para ultra-bajo potencia SOT-MRAM "
Términos técnicos
[1] Corriente de giro pura: un fenómeno mediante el cual se transporta el momento angular de giro, pero no la carga.
[2] Aisladores topológicos: materiales con superficies altamente conductoras de la electricidad, pero que actúan como aislantes en el interior. Dichos materiales son de gran interés en la búsqueda de desarrollar dispositivos electrónicos de alto rendimiento que generen menos calor.
[3] SOT-MRAM: la conmutación del par de giro de la órbita giratoria SOT que utiliza el efecto Hall de giro se ve cada vez más como un sucesor de la conmutación del par de transferencia de giro STT convencional para las tecnologías de memoria de acceso aleatorio magnetorresistivo MRAM.
[4] Efecto Hall de giro: Un efecto Hall para giros que se originan del acoplamiento de carga y giro. Se pueden generar corrientes de giro puras a través del efecto Hall de giro.
[5] Brecha de banda: un rango de energía en un aislante o semiconductor en el que no pueden existir estados de electrones.
[6] Conos de Dirac: estructuras electrónicas únicas que se producen en aisladores topológicos que representan dispersión de energía lineal.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Tokio . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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