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我们知道，材料通常被分为绝缘体和导体。但有一种神奇的材料，它的内部是绝缘的，界面却是可以导电的，这种材料被称为拓扑绝缘体。自发现以来，拓扑绝缘体一直是凝聚态物理的研究热点。 ○ 拓扑绝缘体的能带示意图。通常绝缘体的导带（conduction band）与价带（valence band）之间存在能隙，电子无法传导，而在拓扑绝缘体的表面存在一些位于能隙间的量子态——拓扑表面态（topological surface state），允许电子传导。| 图片来源：Wikipedia 然而，人们一直不清楚的是，拓扑绝缘材料能否在室温下应用于现实设备。在一项最新的研究中，来自东京理工大学电气与电子工程系的科学家将拓扑绝缘体的研究提升到一个新的水平。 他们开发出了世界上性能最好的纯自旋流（pure spin current，自旋角动量的流动形成纯自旋流）源，它由铋锑（BiSb）合金制成，被认为是拓扑绝缘体第一次应用于工业领域的最佳候选对象。这一成果标志着自旋-轨道转矩磁阻式随机存储器（SOT-MRAM）的发展前进了一大步，并有望取代现有的存储技术。 ○ MRAM磁性存储元件示意图。与传统的RAM芯片技术不同，MRAM中的数据不作为电荷或电流存储，而是由磁性存储元件存储。这种元件由两个铁磁性的板组成，中间被绝缘层分开，因而可以保持各自的磁性。一个板被设定为具有特定极性的永磁体（fixed layer），另一个板可以随着外磁场的变化来改变磁化强度（free layer）。这种结构被称为磁性隧穿节（ magnetic tunnel junction），是MRAM的基本结构单元。对于每个MRAM存储元件，如果两个板的磁性同向，对应的电阻较小，这种状态记为“1”；如果两个板的磁性反向，对应的电阻较大，这种状态记为“0”。| 图片来源：Wikipedia Pham Nam Hai是这次研究的主要领导者，他们制备了具有拓扑绝缘性质的BiSb薄膜，这种材料同时具有显著的自旋霍尔效应（spin Hall effect ）与良好的导电性。 ○ 经典的霍尔效应是指，在外部磁场中，当电流流过导体时，导体中的自由电子会在洛伦兹力的作用下偏转，在导体的一个面上积聚产生电压。自旋霍尔效应不是借助外部磁场，而是电子自旋极化（spin-polarization）在外部电流（charge current）的作用下发生偏转，不同极化方向的自旋在材料的相反边缘积聚，形成自旋流（spin current）。利用自旋霍尔效应的自旋-轨道转矩（Spin-Orbit Torque，SOT）MRAM被认为是传统的单纯利用电子自旋极化的自旋传递转矩（Spin-Transfer Torque，STT）MRAM的接替者。| 图片来源：Wikipedia 他们的研究成果发表在《自然·材料》上，可能会促进应用于物联网（IoT）的高密度、超低能耗和超快速的非易失性存储器（当电流关掉后，存储数据不会消失的存储器，包括ROM、MRAM、闪存等），以及在工业和家庭方面需求日渐增加的其他应用的发展。 BiSb薄膜的自旋霍尔角θ约为52，电导率为2.5x10^5，室温下的自旋霍尔电导率为1.3×10^7。值得注意的是，它的自旋霍尔电导率比2014年《自然》杂志上报道的铋硒合金（Bi2Se3）高出两个数量级。 ○ 重金属材料钽（Ta）、钨（W）、铂（Pt）与BiSe合金、BiSb合金的自旋霍尔角、电导率、自旋霍尔电导率。最后一行为此次实验的数据，BiSb合金的自旋霍尔电导率显著高于其他材料。 使SOT-MRAM成为可行的选择 到目前为止，为下一代SOT-MRAM设备寻找合适的自旋霍尔材料一直面临着一个两难的问题：一方面，像铂（Pt）、钽（Ta）和钨（W）这样的重金属材料具有很高的导电性，自旋霍尔效应却比较弱；另一方面，迄今研究过的拓扑绝缘体虽然具有显著的自旋霍尔效应，导电性却比较低。 BiSb薄膜在室温下能够满足高导电性与显著的自旋霍尔效应这两种要求。这使得基于BiSb合金的SOT-MRAM有可能超越现有的自旋传递转矩MRAM（STT-MRAM ）技术。 Pham说：“由于SOT-MRAM的切换速度可以比STT-MRAM快一个数量级，其能耗至少可以降低两个数量级。而且，写入速度可以提高20倍，比特密度可以提高10倍。” 最近，总部位于比利时鲁汶的IMEC用实验验证了这种节能的SOT-MRAM的可行性，尽管使用的材料是重金属。 如果研发顺利，基于BiSb合金的SOT-MRAM将极大地超过相应的重金属存储器的性能，甚至可以媲美作为当下主流技术的DRAM（动态随机存储器）。 一种美妙而被忽视的材料 BiSb合金由于能隙很窄，且表面状态复杂，因此一直被研究人员忽视。然而，Pham说：“从电气工程的角度来看，BiSb是非常美妙的材料，载流子有着很高的移动性，这使得材料内部驱动电流更为容易。” “我们知道BiSb有许多拓扑表面态，这意味着我们可以期待存在着更强的自旋霍尔效应。这就是两年前我们开始研究这种材料的原因。” BiSb薄膜是用高精度的分子束外延（MBE）法制备的。研究人员发现了一种具有特殊表面取向的BiSb合金——BiSb(012)，它被认为是材料具有强的自旋霍尔效应的原因。Pham指出，BiSb(012)表面的狄拉克锥（Dirac cone）数目是另一个重要因素，他带领的团队正在对此进行研究。 ○ 二维材料如石墨烯，或者拓扑绝缘体中，在能量接近费米能级时，电子表现为具有线性色散的无能隙激发，价带与导带呈现为在顶点处汇聚的锥形，这就是所谓的狄拉克锥（Dirac cone）。 面临的挑战 Pham目前正在与工业界合作，测试并扩展基于BiSb合金的SOT-MRAM技术。 他说：“第一步是展示材料能够投入工业化生产。我们的目标是表明，即使BiSb薄膜是通过工业友好的技术，例如溅射法（固体中的原子被高能量离子撞击，离开固体进入真空系统中，进而沉积形成薄膜的过程）制备的，仍然可能获得足够强的自旋霍尔效应。” “自从人们发现拓扑绝缘体，已经过去十多年了。然而，人们一直不清楚，拓扑绝缘材料能否在室温下应用于现实设备。我们的研究将拓扑绝缘体提升到一个新的水平，使得超低能耗SOT-MRAM的实现充满希望与前景。” 参考来源： |
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