Pham Nam Hai Research Group

米国UCLA大学との共同研究成果がNature Commnucations誌に掲載されました。

Hao Wu, Aitian Chen, Peng Zhang, Haoran He, John Nance, Chenyang Guo, Julian Sasaki, Takanori Shirokura, Pham Nam Hai, Bin Fang, Seyed Armin Razavi, Kin Wong, Yan Wen, Yinchang Ma, Guoqiang Yu, Gregory P. Carman, Xiufeng Han, Xixiang Zhang & Kang L. Wang, “Magnetic memory driven by topological insulators”, Nature Communications 12, 6251 (2021). 

本研究では、トポロジカル絶縁体と磁気トンネル接合を集積したスピン軌道トルク磁気抵抗メモリ（SOT-MRAM）素子の作製と、比較的高いトンネル磁気抵抗効果による読み出しおよびトポロジカル絶縁体による低電流密度の書き込みの実証に成功した。
SOT-MRAMは、スピンホール効果による純スピン流を用いて、高速で書き込みができる次世代の不揮発メモリ技術である。書き込み電流と電力を下げるためには、スピンホール効果が強いトポロジカル絶縁体を用いることが有望であるが、トポロジカル絶縁体と磁気トンネル接合との集積技術はこれまで確立されていなかった。今回の研究では、トポロジカル絶縁体と磁気トンネル接合を集積できることを示し、読み出しと書き込みの原理動作の実証に成功した。本研究成果により、産業界を巻き込んだ超低消費電力SOT-MRAMの研究開発が加速されると期待できる。

図１（a）トポロジカル絶縁体とCoFeB/MgO/CoFeB磁気トンネル接合（MTJ）をを集積した3端子SOT-MRAM素子の模型と（b）実際の素子の写真。（c）スパッタリング法のみで作製したBiSb-MTJ素子におけるトンネル磁気抵抗効果。（d）スピン軌道トルクによる書き込みの実証。

プレスリリース：トポロジカル絶縁体と磁気トンネル接合を集積した次世代不揮発性メモリー ＳＯＴ－ＭＲＡＭの実証に成功～超低消費電力ＳＯＴ－ＭＲＡＭの実用化へ加速～

米国Western Digital社との共同研究成果がIEEE Transactions on Magnetics (Early Access)に掲載されました。

J. Sasaki, H. H. Huy, N. H. D. Khang, P. N. Hai, Q. Le, B. York, X. Liu, S. Le, C. Hwang, M. Ho, H. Takano, “Improvement of the effective spin Hall angle by inserting an interfacial layer in sputtered BiSb topological insulator (bottom)/ferromagnet with in-plane magnetization”, IEEE Transactions on Magnetics 58, 3200404 (2022), doi: 10.1109/TMAG.2021.3115169.

今回の成果では、BiSbと磁性体界面にRuを挿入することで、スピンホール効果によるスピン注入効率が向上したことを報告しています。

Si基板上のトポロジカル絶縁体BiSbによる超低電流磁化反転に成功した研究成果がApplied Physics Letters誌に掲載されました。

Tuo Fan, Nguyen Huynh Duy Khang, Takanori Shirokura, Ho Hoang Huy, Pham Nam Hai, “Low power spin–orbit torque switching in sputtered BiSb topological insulator/perpendicularly magnetized CoPt/MgO multilayers on oxidized Si substrate”, Appl. Phys. Lett. 119, 082403 (2021).

トポロジカル絶縁体は高いスピンホール効果を示し、次世代SOT-MRAMのスピン流源として注目されていますが、今までは主にIII-V族半導体やサファイア基板など、単結晶基板の上にエピタキシャル製膜したBiSb膜しか性能評価されませんでした。今回にデバイス応用に適する酸化Si基板の上にスパッタリング法で製膜したMgO (10nm) / Pt(0.8nm) / Co(0.6nm) / Pt(0.8nm) / BiSb (10nm)構造において、比較的に高いスピンホール角（2.4)と電気伝導率(1.0 x 10⁵ Ohm^-1m^-1)のBiSb膜を用いて、高い垂直磁気異方性(4.5 kOe)の磁性膜の磁化反転に成功しました。本成果はBiSbトポロジ絶縁体が実用的なスピン流材料であることを実証しました。

アモルファス合金YPtのスピンホール効果の起源を解明した研究成果がApplied Physics Express誌に掲載されました。

Takanori Shirokura, Kou Fujiwara and Pham Nam Hai, “Spin Hall effect in amorphous YPt alloy”, Appl. Phys. Express 14, 043002 (2021).

スピンホール効果は一般に散乱によって生じる外因性スピンホール効果とバンド構造のベリー位相による内因性スピンホール効果がありますが、原子レベルの規則性が無いアモルファス合金におけるスピンホール効果の起源は今までよく理解されていませんでした。本研究では、アモルファス合金YPtにおいて、世界で初めてアモルファス合金でもベリー位相による内因性スピンホール効果が存在しえることを明らかにしました。また、YPtはアモルファス状にもかかわらず、スピン拡張がPt合金よりも3倍が長いことが分かった。