Einer Gruppe von Forschern ist ein bedeutender Durchbruch gelungen, der die Elektronik der nächsten Generation revolutionieren könnte, indem er Nichtflüchtigkeit, groß angelegte Integration, geringen Stromverbrauch, hohe Geschwindigkeit und hohe Zuverlässigkeit in spintronischen Geräten ermöglicht.
Einzelheiten ihrer Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Körperliche Untersuchung B am 25. August 2023.
Spintronische Geräte, dargestellt durch magnetische Direktzugriffsspeicher (MRAM), nutzen die Magnetisierungsrichtung ferromagnetischer Materialien zur Informationsspeicherung und verlassen sich zum Lesen und Schreiben von Daten auf Spinstrom, einen Fluss von Spindrehimpulsen.
Konventionelle Halbleiterelektronik stößt bei der Erreichung dieser Qualitäten auf Grenzen.
Das Aufkommen spintronischer Geräte mit drei Anschlüssen, die separate Strompfade zum Schreiben und Lesen von Informationen verwenden, bietet jedoch eine Lösung mit reduzierten Schreibfehlern und erhöhter Schreibgeschwindigkeit. Dennoch bleibt die Herausforderung, den Energieverbrauch beim Schreiben von Informationen, insbesondere beim Umschalten der Magnetisierung, zu senken, ein kritisches Anliegen.
Eine vielversprechende Methode zur Reduzierung des Energieverbrauchs beim Schreiben von Informationen ist die Nutzung des Spin-Hall-Effekts, bei dem der Spin-Drehimpuls (Spin-Strom) quer zum elektrischen Strom fließt. Die Herausforderung besteht darin, Materialien zu identifizieren, die einen signifikanten Spin-Hall-Effekt aufweisen, eine Aufgabe, die durch das Fehlen klarer Richtlinien getrübt wird.
„Wir haben unsere Aufmerksamkeit auf eine einzigartige Verbindung namens Kobalt-Zinn-Schwefel (Co3Sn2S2) gerichtet, die bei niedrigen Temperaturen unter 177 K (-96 °C) ferromagnetische Eigenschaften und bei Raumtemperatur paramagnetisches Verhalten aufweist“, erklärt Yong-Chang Lau und Takeshi Seki, beide vom Institute for Materials Research (IMR) der Tohoku-Universität und Co-Autoren der Studie. „Co3Sn2S2 wird insbesondere als topologisches Material eingestuft und weist aufgrund seiner charakteristischen elektronischen Struktur einen bemerkenswerten anomalen Hall-Effekt auf, wenn es in einen ferromagnetischen Zustand übergeht.“
Lau, Seki und Kollegen untersuchten mithilfe theoretischer Berechnungen die elektronischen Zustände sowohl des ferromagnetischen als auch des paramagnetischen Co3Sn2S2 und zeigten, dass Elektronendotierung den Spin-Hall-Effekt verstärkt. Um diese theoretische Vorhersage zu bestätigen, wurden dünne Filme aus Co3Sn2S2 synthetisiert, die teilweise mit Nickel (Ni) und Indium (In) substituiert waren. Diese Experimente zeigten, dass Co3Sn2S2 den stärksten anomalen Hall-Effekt aufwies, während (Co2Ni)Sn2S2 den stärksten Spin-Hall-Effekt aufwies, was eng mit den theoretischen Vorhersagen übereinstimmt.
„Wir haben den komplizierten Zusammenhang zwischen den Hall-Effekten aufgedeckt und einen klaren Weg zur Entdeckung neuer Spin-Hall-Materialien aufgezeigt, indem wir die vorhandene Literatur als Leitfaden genutzt haben“, fügt Seki hinzu. „Dies wird hoffentlich die Entwicklung von Spintronikgeräten mit extrem geringem Stromverbrauch beschleunigen und einen entscheidenden Schritt in Richtung der Zukunft der Elektronik darstellen.“
Mehr Informationen:
Yong-Chang Lau et al., Interkorrelierter anomaler Hall- und Spin-Hall-Effekt in Kagome-Gitter-Shanditfilmen auf Co3Sn2S2-Basis, Körperliche Untersuchung B (2023). DOI: 10.1103/PhysRevB.108.064429