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最近，东京工业大学的科学家宣布了一种新的材料组合，这为基于自旋的磁性随机存取存储器奠定了基础，自旋是电子的一种固有属性。这项创新可以超越现有的存储设备。这项研究提出了一种新的策略来发展拓扑材料中与自旋相关的现象，并且可以刺激自旋电子领域的许多发展。
自旋电子学是现代科学技术产业，其中电子自旋或角动量起着主要作用。事实上，现代电子学中广泛使用的磁性材料由于集体自旋阵列而具有奇怪的特性。自旋电子学，也称为磁电子学。它是一门新的学科和技术，利用电子的自旋和磁矩将电子的自旋和磁矩加到固体器件上，除了电荷输运。自旋电子学中使用的材料需要具有高的电子极化率和长的电子自旋弛豫时间。
人们经常把电子自旋和地球自转相比较。当地球旋转时，它产生旋转角动量。自旋也有角动量。此外，由于电子带有负电荷，电荷的旋转会形成电流。电子旋转的效果相当于一个小电流圆，小电流圆的效果相当于一个有南极和北极的小磁铁。
研究人员正试图操纵特定材料的自旋相关特性，尤其是非易失性存储器。在功耗和速度方面，磁性非易失性存储器有潜力超越当前的半导体存储技术。MRAM是一种非易失性磁性随机存取存储器。它具有静态随机存储器的高速读写能力，和动态随机存储器的高集成度，基本上可以无限重复写入。关闭电源后，MRAM仍然可以保持记忆完好。当CPU读取数据时，不必从头开始。它可以随时以相同的速度从内存中的任何位置读写信息，这是永久性的。
自旋随机存储器的应用前景并不局限于传统的计算机存储系统，还可以扩展到许多其他领域，甚至有望成为通用存储器。例如，在发动机控制模块中使用磁性随机存取存储器，以确保在断电的情况下数据不会丢失。鉴于磁存储抗辐射的优势，A350飞控系统采用MRAM，防止辐射造成数据损坏。
与传统的随机存取存储器不同，磁随机存取存储器中的数据不是作为电荷或电流存储的，而是由磁存储元件存储的。这些元件由两个铁磁板形成，每个铁磁板可以保持由薄绝缘层隔开的磁化。两个板中的一个是设置为特定极性的永磁体；另一个板的磁化可以改变以匹配外部磁场的磁化来存储存储器。这种结构称为磁隧道结，是磁随机存取存储器位的最简单结构。存储设备是由这样的“单元”网格构成的。
由东京工业大学副教授Pham Nam Hai领导的研究团队在最新一期《应用物理学》上发表了一篇关于单向自旋霍尔磁阻的研究论文，这是一种与自旋相关的现象，可以用来开发具有最小结构的磁性非易失性存储单元。
自旋霍尔效应导致具有特定自旋的电子聚集在材料的侧面。这种效应在拓扑绝缘体中尤为强烈。将拓扑绝缘体与铁磁半导体相结合，自旋霍尔效应可以形成巨大的单向自旋霍尔磁阻效应。简单来说，自旋霍尔效应就是在横向电场作用下纵向产生自旋流的效应。这是因为自旋轨道的相互作用使电荷流和自旋流耦合，从而导致自旋霍尔效应。
拓扑绝缘体是近年来发现的一种新的量子材料态，它在能带拓扑顺序上不同于传统绝缘体。它是拓扑绝缘体块内部带隙的绝缘体，但它是在材料表面和边界上受时间反演不变性保护的稳定金属态。其能带结构的特点是“狄拉克锥”的存在，即可以与上下锥相连，处于锥边状态的电子自旋会出现涡旋排列，形成所谓的自旋流，在磁场作用下呈现自旋霍尔效应。
自旋霍尔效应最早是在2004年通过实验观察到的，利用磁光克尔效应和自旋发光二极管在半导体中也观察到了自旋霍尔效应。Kato等人利用磁光克尔效应在半导体GaAs的两个不同边缘观察到偏振方向相反的自旋，Wunderlich等人利用自旋发光二极管在不同界面观察到偏振方向相反的自旋。
自旋相同的电子聚集在两种材料的界面上。由于自旋霍尔效应，旋转可以注入铁磁层，磁化可以反转实现存储器写入操作，这也意味着存储器中的信息可以被重写。同时，由于自旋霍尔磁阻效应，复合结构的电阻会随着磁化方向的变化而变化。外部电路可以测量电阻，实现存储器读取操作，其中数据可以通过写入操作的相同电流路径读取。
传统重金属常用于现有材料组合的自旋霍尔效应。然而，由单向自旋霍尔磁阻效应引起的电阻变化极低——远低于1%，这阻碍了使用这种效应的磁性非易失性存储器的发展。此外，单向自旋霍尔磁阻效应的原理似乎随着所用材料的组合而变化。目前还不清楚哪种原理可以将USMR效应提高到1%以上。为了了解材料组合如何影响USMR效应，研究人员设计了由砷化镓锰层和锑化铋层组成的复合结构。
通过这种组合，研究人员获得了1.1%的高USMR比率。结果表明，利用铁磁半导体中的两种现象:磁振子散射和自旋无序散射可以产生高的USMR比，因此在实际应用中利用这种现象是可能的。海博士说:“我们的研究首次证明效应的值可能超过1%。当使用重金属时，这比USMR值高几个数量级。此外，我们的研究结果为最大化实际设备的USMR比提供了新的策略。”
这项研究对自旋电子学的发展起到了重要作用。传统的磁性非易失性存储器结构需要30层左右的超薄材料层，制造工艺极具挑战性。然而，使用单向自旋霍尔磁阻效应进行读出操作，仅需要两层存储单元。
海博士总结道:“下一个材料工程可能会进一步提高比，这是可快速读取的磁性非易失性存储器所必需的，具有最小的结构，并且基于效应。我们已经证实，USMR比率超过1%，这是朝着这个目标迈出的重要一步。”
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