[科普中国]-自旋霍尔写入电流

考虑利用自旋霍尔效应辅助自旋转移矩(Spin-Hall-Assisted STT) 实现磁化翻转，在这种方式中，最终的磁化翻转仍旧由传统的自旋转移矩完成，但伴有自旋霍尔效应的辅助，因此该过程需要分别流经磁隧道结和重金属薄膜的两条写入电流，负责产生自旋转移矩和自旋霍尔效应，这里的写入电流即为自旋霍尔写入电流。

原理当电流垂直于外磁场通过导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。霍尔效应使用左手定则判断。

当流经重金属的电流低于某一阈值时，自旋电子储存信息的写入通过磁化翻转，磁化翻转的过程仍旧由自旋转移矩主导，自旋霍尔效应（或自旋轨道矩）只起次要作用;当电流高于阈值时，磁化翻转过程与传统的自旋转移矩方式完全不同，磁化向量在极短的时间内越过面内方向，表明自旋轨道矩消除了初始延迟，主导了磁化翻转过程。但是，这种情况下，磁化向量并未被完全翻转，表明自旋轨道矩在写入的后期起到阻碍作用，因此需要在合适的时间移除。最终形成的写入方式:沿重金属通入大于阈值的电流，在大约0.5ns的时刻撤除该电流，由自旋转移矩完成后续的磁化翻转过程。这种写入方式消除了初始延迟，提高了写入速度。但这种写入方式并未使读写路径分开，仍有部分电流经过磁隧道结以产生自旋转移矩，尽管如此，由于有自旋霍尔效应的辅助，流经磁隧道结的电流可以降至较低的水平，减小势垒击穿的概率。

信息写入自旋轨道矩写入方式的思路是借助反铁磁材料产生交换偏置场，以此取代外加磁场。近期利用该技术成功实现了具有垂直磁各向异性的磁性薄膜的磁化翻转。他们设计的器件结构中，PtMn和IrMn均为反铁磁材料，与之接触的Co/Ni和Co均为具有垂直磁各向异性的磁性材料。交换偏置场由“反铁磁/铁磁”界面产生，其作用等效于外加磁场（Hext）。自旋霍尔效应由Pt产生，由反铁磁材料PtMn产生。实验证实了磁化翻转在交换偏置场和自旋霍尔效应的作用下完成，且写入电流和交换偏置场的大小与早期Liu的测量结果基本吻合。此外，他们的这两项研究还观测到另外一个重要现象:磁化翻转的大小可根据电流强弱连续调节。该现象的可能成因是反铁磁材料的多晶态导致交换偏置场方向呈现非均匀分布，因此，在特定的写入电流作用下，磁化翻转无法一致完成。磁化的可调性能够用于实现自旋忆阻器，从而使自旋轨道矩在类脑计算领域得到应用。1

应用前景自旋储存器的应用前景并不局限于传统的计算机存储体系，还能够扩展到其他诸多领域，甚至有望成为通用存储器（UniversalMemory）。例如，宝马公司在发动机控制模块采用MRAM以保证数据在断电情况下不丢失。鉴于磁性存储具有抗辐射的优势，空客公司在A350的飞行控制系统中采用MRAM以防止射线造成数据破坏。此外，在物联网和大数据等新兴应用领域，泛在的传感器终端需要搜集数据，为节省存储功耗，使用非易失性存储器势在必行，STT-MRAM以其相对优良的性能成为热门的候选器件。2

本词条内容贡献者为:

任毅如 - 副教授 - 湖南大学