即使切斷電源，資訊也不會消失的磁性隨機存取記憶體（MRAM），因有望顯著降低電子設備的能耗而備受關注，但它在資訊寫入時的能效仍有待進一步提升。近年來，一種名為銩鐵石榴石（TmIG）的新型磁性絕緣體，憑藉低能耗且可實現高速控制的特性成為全球研究的熱點，但既往製備方法侷限於難以量產的特殊工藝。
九州大學研究生院系統資訊科學研究院的山下尚人副教授、瑞典查爾姆斯理工大學博士生羅澤爾·恩加羅伊、薩羅吉·P·達什教授、韓國大邱慶北科學技術院（DGIST）的柳鐘烈教授、信州大學的李垂範助教等人組成的國際聯合研究團隊，成功開發出解決這一難題的新型製備工藝。該成果成為高性能磁性絕緣體存儲技術從基礎研究邁向應用研究的關鍵一步，有望加速新型自旋電子器件的開發進程，為構建可持續的資訊社會貢獻力量。相關研究成果已發表在《npj Spintronics》上。
圖1 通過量電流脈衝實現磁化反轉的示意圖。在白金（Pt）層中通入電流，使磁性絕緣體TmIG的磁化方向發生反轉。（供圖：九州大學）
此次，上述國際聯合研究團隊嘗試運用在MRAM量產線中標準採用的「同軸濺射法」來開發高品質TmIG薄膜製備工藝。
研究團隊對成膜時的氣體流量、壓力、成膜後的熱處理條件等進行了精密優化，首次藉助產業化方法成功製備出了具有原子級平坦表面和理想晶體結構的高質量TmIG薄膜。當使用高分辨穿透電子顯微術觀察所製得的TmIG薄膜截面時，研究人員發現，原子排列繼承了基板的晶體結構，這表明TmIG發生了磊晶生長反應，形成了高品質的單晶結構。
此外，研究團隊將該TmIG薄膜與Pt層進行堆疊，並開展微細加工，製作成霍耳元件。在向Pt層施加微小電流脈衝後，成功實現了TmIG磁化方向的穩定反轉，且這一過程可重複超過100次。另外，實現磁化反轉（資訊寫入）所需的電流密度，與採用脈衝雷射沉積（PLD）等傳統方式製備的高質量元件相當，甚至展現出了低能耗性能。
由此，研究團隊運用適合量產的工藝方法，成功製備出了質量極高的TmIG薄膜，並證明了其能夠實現高能效的資訊寫入。
目前，團隊正基於此次開發的製造技術，充分發揮磁性石榴石材料的特性，研發具備新功能的器件。未來，團隊計劃將這一技術拓展至「存內計算（Compute In Memory）」領域，致力於推動後MRAM時代自旋電子學器件的發展。
山下尚人副教授表示：「TmIG是日本研發出來的材料。近年來，隨著有關其在高速、低功耗磁化反轉方面成果的報告不斷增多，已成為備受全球關注的材料。本次研究成果為全世界研究者長期攻克的難題提供了一個可行方案。這一成果離不開眾多合作研究者的探討與支持。未來，我們將以產學合作為目標，加速開展面向新功能創造的研究工作。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：npj Spintronics
論文：Deterministic spin-orbit torque switching of epitaxial ferrimagnetic insulator with perpendicular magnetic anisotropy fabricated by on-axis magnetron sputtering
DOI：10.1038/s44306-025-00105-z
