拓扑科学突破性进展——世界最佳纯自旋电流源诞生学术资讯

▲表格中的参数分别为：θSH（自旋霍尔角）；σ（电导率）；σSH（自旋霍尔电导率）。Bi0.9Sb0.1的各项参数有了显著提升，尤其是σ和σSH，较BixSe1-x几乎提高了两个数量级。

《自然-材料》杂志7月30日刊发论文称，日本东京工业大学的科学家们开发了迄今为止世界上性能最好的纯自旋电流源。这个由铋锑（BiSb）合金制成的薄膜是首个具有工业应用价值的拓扑绝缘体。这一成果标志着自旋轨道转矩磁阻随机存储器(SOT-MRAM)的发展向前迈进了一大步。

东京工业大学电气与电子工程系的研究人员范南海（音译）领导的团队，开发了一种可用于拓扑绝缘体，表现出强自旋霍尔效应和高导电性的BiSb薄膜。这将加速用于物联网（IoT）的高密度、超低功耗和超高速非易失去性存储器的开发，并在工业和家用的其他应用方面有潜在价值。

在室温下，BiSb薄膜的自旋霍尔角为52，电导率为2.5×105，自旋霍尔电导率为1.3×107（计量单位与对比如上图所示）。值得注意的是，BiSb薄膜的自旋霍尔电导率较2014年《自然》（Nature）杂志报道的铋硒化合物(Bi2Se3)高出两个数量级。

为下一代SOT-MRAM设备寻找合适的自旋霍尔材料始终面临着一个两难的问题：铂、钽和钨等金属具有高电导性，但自旋霍尔效应较弱。拓扑绝缘子具有较强自旋霍尔效应，但电导率较低。BiSb薄膜在室温下即可兼具强自旋霍尔效应和高电导率。因此，基于BiSb的SOT-MRAM设备或可实现对现有自旋转移矩(STT)MRAM技术的超越。范说：“由于SOT-MRAM比STT-MRAM快一个数量级，因此转换能量至少可以降低两个数量级。此外，SOT-MRAM的书写速度和比特密度还可分别提高20倍和10倍。”这种节能型SOT-MRAM的可行性已经在比利时微电子中心（IMEC）得到了实验验证。如按比扩展成功，SOT-MRAM甚至有望与主流的动态随机存取存储器(DRAM)竞争。

过去，BiSb由于其窄带隙和复杂的表面状态而被学界忽视。但范认为，BiSb的高载流子迁移率对电气工程领域极具吸引力。范等采用具有高精度的分子束外延法制备了BiSb薄膜并发现了一种名为BiSb(012)的特殊表面取向——这被认为是影响BiSb薄膜强自旋霍尔效应的关键因素。范指出，BiSb(012)表面的狄拉克锥数量是另一个重要影响因素。他的团队正在对此进行研究。

目前，范等正与业界展开合作，测试并扩展基于BiSb的SOT-MRAM。

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编译：雷鑫宇审稿：阿淼责编：程建兰

期刊来源：《自然-材料》（Nature Materials）

期刊编号：1476-1122

原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2018/07/180731092023.htm