La réalisation d'une commutation de magnétisation entraînée par le couple spin-orbite à température ambiante dans des hétérostructures topologiques isolant-ferromagnétique a des applications prometteuses dans les mémoires et les dispositifs logiques à faible consommation d'énergie et à haute densité d'intégration.

La commutation de magnétisation induite par le courant par couple spin-orbite (SOT) est un ingrédient important pour les dispositifs magnétiques non volatils modernes tels que les mémoires magnétiques à accès aléatoire et les dispositifs logiques nécessaires au stockage et au calcul de données haute performance. En tant que tel, des chercheurs du monde entier recherchent activement de nouvelles façons de réduire la densité de courant de commutation élevée actuelle afin d'obtenir une commutation de magnétisation pilotée par SOT très efficace. Des chercheurs de l'Université nationale de Singapour (NUS) ont récemment fait une percée significative dans ce domaine de recherche.

Dirigé par le professeur agrégé Yang Hyunsoo du Département de génie électrique et informatique, l'équipe de recherche NUS a, pour la première fois, a démontré avec succès la commutation de magnétisation à température ambiante pilotée par des SOT géants dans des hétérostructures isolant topologique/ferromagnétique conventionnel (Bi2Se3/NiFe) avec une densité de courant extrêmement faible, qui peut résoudre le problème de l'évolutivité et de la consommation d'énergie élevée nécessaire dans les dispositifs spintroniques modernes.

Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique Communication Nature le 8 novembre 2017.

Assoc Prof Yang a dit, "Nos résultats peuvent résoudre l'obstacle fondamental d'un courant de commutation élevé dans les applications SOT actuelles à base de métaux lourds, et c'est un grand pas vers des applications de dispositifs spintroniques à base d'isolant topologique à température ambiante avec une dissipation de puissance ultra-faible et une densité d'intégration élevée. Nous pensons que notre travail dynamisera considérablement les activités de recherche mondiales basées sur les isolants topologiques dans diverses disciplines. »

Utilisation de la nouvelle matière quantique :les isolants topologiques

Les isolants topologiques sont des matériaux électroniques qui ont une bande interdite en vrac comme un isolant ordinaire, mais supportent toujours des états conducteurs à leur surface, possédant un fort couplage spin-orbite et des états de surface topologiques à verrouillage de spin (TSS), sur laquelle les directions de la quantité de mouvement des électrons et de la polarisation du spin sont fortement verrouillées.

"En raison des propriétés de blocage de l'impulsion de rotation, lorsque le courant de charge circule dans le TSS, tous les spins des électrons seront entièrement polarisés dans une direction perpendiculaire à la direction de l'électron en mouvement. Par conséquent, une génération de courant de spin très efficace et donc une efficacité SOT géante sont attendues dans les isolants topologiques." a expliqué le Dr Zhu Dapeng, qui est co-premier auteur de l'étude et chercheur au département.

Il est crucial de tirer parti de TSS pour réaliser des dispositifs SOT basés sur un isolant topologique hautes performances. Cependant, dans des isolants topologiques typiques tels que Bi2Se3, les états de masse parasites et le gaz d'électrons bidimensionnel peuvent contaminer et/ou éliminer l'efficacité élevée du SOT dans le TSS. Afin de surmonter cela, l'équipe de recherche a identifié l'effet SOT dominé par le TSS dans les films ultrafins Bi2Se3 (≤ 8 nm), présentant une grande efficacité SOT jusqu'à 1,75 à température ambiante, ce qui est beaucoup plus grand que les valeurs de ~ 0,01 à 0,3 dans les métaux lourds conventionnels utilisés.

Dispositifs à base d'isolant topologique hautes performances pour le stockage et l'informatique de données

Dans les dispositifs traditionnels de métaux lourds (tels que Pt ou Ta)/ferromagnétique SOT, la densité de courant nécessaire à la commutation de magnétisation est encore élevée, de l'ordre de ~107–108 A/cm2, ce qui entrave leur utilisation dans les applications SOT hautes performances.

L'équipe a démontré la commutation de magnétisation induite par un courant hautement efficace à température ambiante en utilisant l'isolant topologique Bi2Se3 (8 nm), qui peut être cultivé à l'échelle d'une plaquette en utilisant l'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE), avec un ferromagnétique 3-D conventionnel NiFe (6 nm), qui est largement utilisé dans diverses industries.

"Notre travail présente avec succès une réduction significative de la densité de courant de commutation pour la commutation de magnétisation en utilisant l'effet SOT géant dans Bi2Se3. La valeur est d'environ 6×105 A/cm2, qui est presque deux ordres de grandeur plus petit que celui des métaux lourds. Il s'agit d'une étape importante pour les applications de dispositifs SOT à très faible consommation d'énergie et à haute densité d'intégration. De plus, nos appareils fonctionnent robustement à température ambiante, qui dépasse la limite de la température de travail ultra-basse dans le dispositif TI précédent." a déclaré le Dr Wang Yi du département, qui est l'autre co-premier auteur de l'étude.

"Notre schéma de commutation de magnétisation ne nécessite pas de champ magnétique d'assistance. Cela rend les systèmes de matériaux isolants/ferromagnétiques topologiques faciles à intégrer dans la technologie industrielle bien établie pour les dispositifs magnétiques, " a ajouté le professeur Assoc Yang.

Avancer, Assoc Prof Yang et son équipe mènent des expériences pour réduire davantage le courant de commutation en affinant davantage les matériaux et les structures des systèmes, et ils prévoient également d'intégrer et de tester la technologie dans les dispositifs de mémoire magnétique de base. L'équipe espère travailler avec des partenaires de l'industrie pour explorer davantage diverses applications avec ce nouveau système de matériaux.