Nuovo studio per sviluppare RAMs spintroniche


Nuovo studio per sviluppare RAMs spintroniche

Spianare la strada alle RAMs spintroniche: uno sguardo più approfondito a un potente fenomeno di spin.

Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) esplorano una nuova combinazione di materiali con lo scopo di porre le basi per memorie ad accesso casuale magnetico, che si basano sullo spin - una proprietà intrinseca degli elettroni - e potrebbero sovraperformare i dispositivi di memorizzazione attuali.

La loro svolta, pubblicata in un nuovo studio, descrive una nuova strategia per sfruttare i fenomeni legati allo spin nei materiali topologici, che potrebbe stimolare numerosi progressi nel campo dell'elettronica dello spin. Inoltre, questo studio fornisce ulteriori informazioni sul meccanismo sottostante dei fenomeni correlati allo spin.

La spintronica è un moderno campo tecnologico in cui lo “spin” o il momento angolare degli elettroni assume un ruolo primario nel funzionamento dei dispositivi elettronici. In effetti, gli accordi di spin collettivi sono la ragione delle curiose proprietà dei materiali magnetici, che sono comunemente usati nell'elettronica moderna. Gli scienziati di tutto il mondo hanno cercato di manipolare le proprietà legate allo spin in determinati materiali, a causa di una miriade di applicazioni in dispositivi che funzionano in base a questo fenomeno, specialmente nelle memorie non volatili. Queste memorie magnetiche non volatili, chiamate MRAM, hanno il potenziale per superare le attuali memorie dei semiconduttori in termini di consumo, energia e velocità.

Un team di ricercatori della Tokyo Tech, guidato dal professore Pham Nam Hai, (1) ha recentemente pubblicato uno studio sul Journal of Applied Physics (2) in cui spiega la magnetoresistenza unidirezionale di spin Hall (unidirectional spin Hall magnetoresistance - USMR), un fenomeno correlato allo spin che potrebbe essere utilizzato per sviluppare circuiti MRAM con una struttura estremamente semplice. L'effetto spin Hall porta all'accumulo di elettroni con una certa rotazione sui lati laterali di un materiale. La motivazione alla base di questo studio si era focalizzata sul fatto che l'effetto spin Hall, che è particolarmente forte nei materiali noti come “isolanti topologici”, può portare a un accentuato USMR combinando un isolante topologico con un semiconduttore ferromagnetico.

Nella combinazione di materiali esistente che utilizza metalli pesanti convenzionali per l'effetto spin Hall, tuttavia, i cambiamenti nella resistenza causati dall'effetto USMR sono estremamente bassi - ben al di sotto dell'1% - che ostacolano lo sviluppo di MRAM, gli utilizzatori di questo effetto. Inoltre, il meccanismo dell'effetto USMR sembra variare in base alla combinazione del materiale utilizzato, e non è chiaro quale meccanismo possa essere sfruttato per migliorare l'USMR di oltre l'1%.

Per capire come le combinazioni di materiali possano influenzare l'effetto USMR (unidirectional spin Hall magnetoresistance), i ricercatori hanno progettato una struttura composita comprendente uno strato di arsenuro di manganese al gallio (GaMnAs, un semiconduttore ferromagnetico) e antimonide di bismuto (BiSb, un isolante topologico). È interessante notare che, con questa combinazione, hanno avuto successo nell'ottenere un rapporto USMR dell'1,1%. In particolare, i risultati hanno mostrato che l'utilizzo di fenomeni chiamati “magnon scattering” e “spin-disorder scattering” nei semiconduttori ferromagnetici può portare a un rapporto USMR imponente, rendendo possibile l'uso di questo fenomeno in applicazioni del mondo reale.

Il dottor Pham Nam Hai ha spiegato: “Il nostro studio è il primo a dimostrare che è possibile ottenere un rapporto USMR superiore all'1%. Si tratta di molti ordini di grandezza superiori a quelli che utilizzano metalli pesanti per USMR. Inoltre, i nostri risultati forniscono una nuova strategia per massimizzare il rapporto USMR per applicazioni pratiche di dispositivi.”

Questo studio potrebbe svolgere un ruolo chiave nello sviluppo della spintronica. La struttura MRAM convenzionale richiede circa 30 strati ultrasottili, il che è molto impegnativo da realizzare. Utilizzando USMR per l'operazione di lettura, sono necessari solo due strati per le celle di memoria.

“L'ulteriore ingegneria dei materiali può migliorare ulteriormente il rapporto USMR (unidirectional spin Hall magnetoresistance), che è essenziale per le MRAM basate su USMR con una struttura estremamente semplice e una lettura veloce. La nostra dimostrazione di un rapporto USMR oltre l'1% è un passo importante verso questo obiettivo”, conclude il professore Pham Nam Hai.

Riferimenti:

(1) Pham Nam Hai

(2) Giant unidirectional spin Hall magnetoresistance in topological insulator – ferromagnetic semiconductor heterostructures

Descrizione foto: la combinazione di materiali proposta funge da unità di memoria supportando le operazioni di lettura e scrittura. L'iniezione di spin, da parte del materiale isolante topologico (TI), inverte la magnetizzazione del materiale ferromagnetico (FM), rappresentando l'operazione di “scrittura”. Inoltre, l'iniezione di spin può anche cambiare la resistenza complessiva dei materiali, che può essere rilevata attraverso un circuito esterno, che rappresenta l'operazione di “lettura”.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Paving the way for spintronic RAMs: A deeper look into a powerful spin phenomenon

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