Des scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) rapportent une nouvelle combinaison de matériaux qui ouvre la voie à une mémoire magnétique à accès aléatoire basée sur le spin, une propriété intrinsèque des électrons. L'innovation pourrait surpasser les périphériques de stockage actuels. Leur percée, publié dans une nouvelle étude, décrit une nouvelle stratégie pour exploiter les phénomènes liés au spin dans les matériaux topologiques et pourrait stimuler plusieurs avancées dans le domaine de l'électronique de spin. De plus, cette étude fournit des informations supplémentaires sur le mécanisme sous-jacent des phénomènes liés au spin.

La spintronique est un domaine technologique moderne où le spin, ou le moment cinétique, d'électrons joue un rôle primordial. En réalité, les arrangements de spin collectifs sont la raison des propriétés curieuses des matériaux magnétiques, qui sont couramment utilisés dans l'électronique moderne. Les chercheurs ont essayé de manipuler les propriétés liées au spin dans certains matériaux, surtout pour la mémoire non volatile. Mémoire magnétique non volatile, (MRAM) a le potentiel de surpasser la technologie actuelle des mémoires à semi-conducteurs en termes de consommation d'énergie et de vitesse.

Une équipe de chercheurs de Tokyo Tech, dirigé par le professeur agrégé Pham Nam Hai, a récemment publié une étude dans le Journal de physique appliquée sur la magnétorésistance Hall de spin unidirectionnel (USMR), un phénomène lié au spin qui pourrait être utilisé pour développer des cellules MRAM avec une structure extrêmement simple. L'effet Hall de spin conduit à l'accumulation d'électrons avec un certain spin sur les faces latérales d'un matériau. L'effet Hall de spin, qui est particulièrement résistant dans les matériaux dits isolants topologiques, peut aboutir à une USMR géante en combinant un isolant topologique avec un semi-conducteur ferromagnétique.

Lorsque des électrons de même spin s'accumulent à l'interface entre les deux matériaux, en raison de l'effet Hall de spin (Fig. 1), les spins peuvent être injectés dans la couche ferromagnétique et inverser son aimantation, permettant des opérations d'écriture en mémoire, ce qui signifie que les données dans les périphériques de stockage peuvent être réécrites. À la fois, la résistance de la structure composite change avec la direction de l'aimantation du fait de l'effet USMR. La résistance peut être mesurée à l'aide d'un circuit externe, permettant des opérations de lecture en mémoire dans lesquelles les données peuvent être lues en utilisant le même chemin actuel avec l'opération d'écriture. Dans la combinaison de matériaux existants utilisant des métaux lourds conventionnels pour l'effet Hall de spin, cependant, les changements de résistance provoqués par l'effet USMR sont extrêmement faibles, bien inférieurs à 1 %, ce qui entrave le développement de MRAM utilisant cet effet. En outre, le mécanisme de l'effet USMR semble varier selon la combinaison de matériau utilisée, et il n'est pas clair quel mécanisme peut être exploité pour augmenter l'USMR à plus de 1 pour cent.

Pour comprendre comment les combinaisons de matériaux peuvent influencer l'effet USMR, les chercheurs ont conçu une structure composite comprenant une couche d'arséniure de gallium et de manganèse (GaMnAs, un semi-conducteur ferromagnétique) et de l'antimoniure de bismuth (BiSb, un isolant topologique). Avec cette combinaison, ils ont obtenu un ratio USMR géant de 1,1 pour cent. En particulier, les résultats ont montré qu'en exploitant deux phénomènes dans les semi-conducteurs ferromagnétiques, diffusion de magnon et diffusion de désordre de spin, peut conduire à un ratio USMR géant, permettant d'utiliser ce phénomène dans des applications réelles. Le Dr Hai dit, « Notre étude est la première à démontrer qu'il est possible d'obtenir un ratio USMR supérieur à 1%. C'est plusieurs ordres de grandeur supérieur à ceux utilisant des métaux lourds pour l'USMR. De plus, nos résultats fournissent une nouvelle stratégie pour maximiser le ratio USMR pour les applications pratiques des appareils. »

Cette étude pourrait jouer un rôle clé dans le développement de la spintronique. La structure MRAM conventionnelle nécessite environ 30 couches ultrafines, ce qui est très difficile à faire. En utilisant USMR pour les opérations de lecture, seulement deux couches sont nécessaires pour les cellules mémoire. "Une ingénierie des matériaux plus poussée peut encore améliorer le ratio USMR, ce qui est essentiel pour les MRAM basées sur l'USMR avec une structure extrêmement simple et une lecture rapide. Notre démonstration d'un ratio USMR supérieur à 1% est une étape importante vers cet objectif, " conclut le Dr Hai.