“零场开关”效应：有望带来新一代低功耗计算和存储器件！

2018 年 3 月 19 日 IntelligentThings John

导读

近日，美国约翰霍普金斯大学和美国国家标准与技术研究院合作开发出一种新技术，仅仅需要发送一个电流，而无需外加磁场，就能以稳定的方式，快速反转CoFeB 的磁化强度。

背景

当今时代，电子产品在我们的生活中无处不在。大多数电子产品都是利用了电子的电荷特性，例如：电荷的定向运动会形成电流，从而传输和处理信息数据。但是，电子除了具有电荷这一特性外，还有一个非常重要但是未得到充分利用的量子力学特性：自旋（spin）。有一门新兴的学科专门研究如何操控电子自旋，它就是：“自旋电子学（Spintronics）”。

“自旋电子学”，为我们带来了许多新型电子器件，它们可以用于逻辑运算的处理，也可用于存储数据，未来更有望实现逻辑运算和数据存储功能合二为一的新型器件。之前，笔者介绍过许多的有关自旋电子学的创新成果，下面举三个典型案例，让大家有一个更直接更直观的认识。

荷兰格罗宁根大学开发的基于磁振子的自旋晶体管

（图片来源：L. Cornelissen）

德国凯泽斯劳滕工业大学利用自旋流生成太赫兹波

（图片来源：TUK）

德国美因茨大学、康士坦茨大学与日本东北大学合作开发的自旋阀结构

（图片来源：Joel Cramer ）

自旋电子学创造出的新型电子器件具有体积小、速度快、功耗小等优势，在后摩尔时代，自旋电子器件有望成为传统半导体器件的替代品。

创新

今天，让我们继续有关自旋电子学的话题。近日，美国约翰霍普金斯大学（Johns Hopkins University）和美国国家标准与技术研究院（NIST）之间的合作研究取得突破。团队发现，他们能以一种稳定方式，在0和1两个状态之间，快速反转 CoFeB 的磁化强度，仅需要让电流通过与纳米磁体 CoFeB 邻近的Pt 和W 金属层，而无需外加磁场。这种“零场开关”（ZFS）效应让人非常惊喜，因为之前并没有理论预测到这一现象。

研究团队包括NIST科学家 Daniel Gopman、 Robert Shull 、NIST访问研究员 Yury Kabanov、约翰霍普金斯大学研究员Qinli Ma、Yufan Li、教授Chia-Ling Chien，这项研究成果于近日发表在《物理评论快报（Physical Review Letters）》杂志上。

技术

为了更好地理解这一创新技术，让我们先来看一幅图（这幅图很好地诠释了这项技术的原理）：

（图片来源：Gopman/NIST）

如图所示：在硅基底的表面上，铂（Pt）、钨（W）、钴-铁-硼（CoFeB）磁体形成三明治状的分层结构，结构两端是金电极（Au）。灰色箭头描绘出电流方向：从后方的金触点注入到结构中，并从前方的金触点流出。

纳米厚度的磁体 CoFeB 层存储着比特数据，"1" 对应于 CoFeB 磁化强度朝上（向上的箭头），"0" 对应于 CoFeB 磁化强度朝下（向下的箭头）。电气和光学这两种方式都可以读出"0" 和 "1"，因为磁化强度改变了照射在材料上的光线的反射光，这一现象也称为“磁光克尔效应”（MOKE）。

这个器件中的电流，可以在0和1之间，快速切换数据状态。先前的此类器件会需要磁场或者其他更加复杂的测量，改变材料的磁化强度。那些早期的器件对于构建稳定、非易失性的存储器件来说，并不是非常有用。

在这项研究中，科研人员创造出一种特殊的电流，也称为“自旋流”。顾名思义，“自旋流”中的电子具有自旋特性。自旋流可以理解为一种简单的电流，其中的电子自旋都指向同一方向。当电子通过材料时，它的自旋和移动之间的相互作用（也称为：自旋轨道转矩，SOT）会产生出自旋流，其中具有同一自旋状态的电子向垂直于电流的同一方向移动，而自旋状态相反的电子则向相反方向移动。

结果，电子自旋移动到邻近CoFeB 磁层时，会向这一层施加一个转矩，引起它的磁化强度反转。如果没有自旋流，CoFeB 磁化强度对于任何电流和温度的起伏来说都是稳定的。这种意想不到的ZFS效应，向理论家们提出一个新问题，也就是关于实验观察到的SOT引发的开关现象。

自旋轨道转矩的细节上面的图片所示：紫色箭头表示每一层中的自旋。蓝色弯曲箭头表示那种自旋方向被改变。例如，在W层中（在x-y平面中），朝左自旋的电子，变为朝着上方的CoFeB 移动；朝右自旋的电子，变为朝着下方的 Pt 层移动。在Pt 层中（在x-y平面中），朝右自旋的电子，变为朝着上方的W层移动；朝左自旋的电子会朝着下方的Si 层移动。这与W层自旋的电子正在移动的方向相反，这是因为Pt 层中移动的电子和W 层中移动的电子所经历的SOT存在差异。实际上，电子通过这两个导体的方式不同，对于这种非同寻常的ZFS现象的发生来说，这一点很重要。

价值

这项研究将带来比现有设备更小型化、更低功耗的存储和计算设备。未来研究人员将继续研究找出其他的前瞻性材料，这些材料能够带来单个垂直纳米磁体的“零场开关”。此外，他们还将在更小横向尺寸的纳米磁体中研究ZFS行为的变化，为这种开关现象发展理论基础。

关键字

自旋电子学、磁、电子

参考资料

【1】https://www.nist.gov/topics/materials/zero-field-switching-zfs-effect-nanomagnetic-device

【2】Q. Ma, Y. Li, D. B. Gopman, Y. Kabanov, R. D. Shull and C.-L. Chien. Switching a perpendicular ferromagnetic layer by competing spin currents. Physical Review Letters. Published online 16 March 2018. DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.117703