Une équipe de recherche dirigée par Pham Nam Hai au Département de génie électrique et électronique, L'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) a développé la source de courant de spin pur la plus performante au monde en alliages bismuth-antimoine (BiSb), qu'ils rapportent comme le meilleur candidat pour la première application industrielle des isolants topologiques. Cette réalisation représente un grand pas en avant dans le développement de dispositifs de mémoire à accès aléatoire magnétorésistive à couple de spin-orbite (SOT-MRAM) avec le potentiel de remplacer les technologies de mémoire existantes.

L'équipe a développé des couches minces de BiSb pour un isolant topologique qui atteint simultanément un effet Hall de spin colossal et une conductivité électrique élevée. Leur étude, Publié dans Matériaux naturels , pourrait accélérer le développement de la haute densité, ultra-basse puissance, et des mémoires non volatiles ultra-rapides pour l'Internet des objets (IoT) et d'autres applications de plus en plus demandées pour un usage industriel et domestique.

Les films minces BiSb atteignent un angle de spin Hall d'environ 52, conductivité de 2,5 x 10 ⁵ et spin conductivité Hall de 1,3×10 ⁷ à température ambiante. (Voir le tableau 1 pour un résumé des performances, y compris toutes les unités.) Notamment, la conductivité de spin Hall est supérieure de deux ordres de grandeur à celle du séléniure de bismuth (Bi 2 Se 3 ), signalé dans La nature en 2014.

Faire de SOT-MRAM un choix viable

Jusqu'à maintenant, la recherche de matériaux de spin Hall appropriés pour les dispositifs SOT-MRAM de nouvelle génération a posé des problèmes :métaux lourds comme le platine, le tantale et le tungstène ont une conductivité électrique élevée mais un petit effet Hall de spin. Seconde, les isolants topologiques étudiés à ce jour ont un effet Hall de spin important mais une faible conductivité électrique.

Les couches minces BiSb satisfont aux deux exigences à température ambiante. Cela soulève la possibilité réelle que la SOT-MRAM basée sur BiSb puisse surpasser la technologie MRAM existante à couple de transfert de spin (STT).

"Comme SOT-MRAM peut être commuté un ordre de grandeur plus rapidement que STT-MRAM, l'énergie de commutation peut être réduite d'au moins deux ordres de grandeur, " dit Pham. " Aussi, la vitesse d'écriture a pu être multipliée par 20 et la densité de bits multipliée par dix."

La viabilité de telles SOT-MRAM économes en énergie a récemment été démontrée dans des expériences, bien qu'utilisant des métaux lourds, menée par l'IMEC, le pôle international de R&D et d'innovation dont le siège est à Louvain, La Belgique.

Si la mise à l'échelle est réussie, La SOT-MRAM basée sur BiSb pourrait considérablement améliorer ses homologues à base de métaux lourds et même devenir compétitive avec la mémoire vive dynamique (DRAM), la technologie dominante d'aujourd'hui.

Un attrayant, matériel négligé

BiSb a tendance à être négligé par la communauté des chercheurs en raison de sa faible bande interdite et de ses états de surface complexes. Cependant, Pham dit :« Du point de vue de l'ingénierie électrique, BiSb est très attractif en raison de sa grande mobilité des porteurs, ce qui facilite le passage d'un courant à l'intérieur du matériau."

"Nous savions que BiSb a de nombreux états de surface topologiques, ce qui signifie que nous pourrions nous attendre à un effet Hall de spin beaucoup plus fort. C'est pourquoi nous avons commencé à étudier ce matériau il y a environ deux ans."

Les films minces ont été cultivés à l'aide d'une méthode de haute précision appelée épitaxie par faisceau moléculaire (MBE). Les chercheurs ont découvert une orientation de surface particulière nommée BiSb(012), qui est considéré comme un facteur clé derrière le grand effet Hall de spin. Pham souligne que le nombre de cônes de Dirac[6]0 sur la surface BiSb(012) est un autre facteur important, sur lequel son équipe enquête actuellement.

Défis à venir

Pham collabore actuellement avec l'industrie pour tester et étendre la SOT-MRAM basée sur BiSb.

"La première étape est de démontrer la fabricabilité, " dit-il. " Nous visons à montrer qu'il est encore possible d'obtenir un effet Hall de spin puissant, même lorsque les films minces BiSb sont fabriqués à l'aide de technologies adaptées à l'industrie telles que la méthode de pulvérisation cathodique."

« Cela fait plus de dix ans depuis l'émergence des isolants topologiques, mais il n'était pas clair si ces matériaux pouvaient être utilisés dans des appareils réalistes à température ambiante. Notre recherche amène les isolants topologiques à un nouveau niveau, où ils sont très prometteurs pour la SOT-MRAM ultra-basse consommation."