東京工業大學工學院電氣電子系的副教授Pham Nam Hai和研究生白倉孝典與「KIOXIA記憶體技術研究所」器件技術研發中心的近藤剛主任等人組成的聯合研究團隊，製作了兼具高自旋流生成效率和高耐熱性的半赫斯勒型拓撲半金屬（HHA-TSM）YPtBi薄膜，併成功驗證了其動作情況。
圖：（a）基於V族和VI族的常規拓撲絕緣體的晶體結構（左）及其能帶結構（右）。（b）HHA-TSM的晶體結構（左）及其能帶結構（右）。（c）利用濺射法形成的YPtBi膜中Bi組成比的成膜溫度依賴性。YPtBi膜和磁性體CoPt膜的異質接面膜磁化反轉實驗中的（d）脈衝電流施加順序及（e）對應的磁化反轉結果。藍球對應平行於電流施加0.5kOe外部磁場時的磁化反轉結果，紅球對應反平行於電流施加0.5kOe外部磁場時的磁化反轉結果。（供圖：東京工業大學，論文：Shirokura, T., Fan, T., Khang, N.H.D. et al. Efficient spin current source using a half-Heusler alloy topological semimetal with back end of line compatibility. Sci Rep 12, 2426 (2022).）
近年來，利用自旋軌域矩（SOT）方式的非揮發性記憶體因可以比以往的自旋轉移矩（STT）方式更高效地生成自旋流而引起關注。SOT方式利用自旋霍耳效應生成自旋流。這種自旋霍耳效應的強度由自旋霍爾角（θSH）表示，其大小由材料中的雜質濃度和能帶結構決定。拓撲絕緣體雖然具有超過1的巨大θSH，但由於僅由V族和Ⅵ族構成，耐熱性只有300℃左右，存在對半導體整合工藝的親和性較低的問題。
研究團隊爲解決這個問題開始着眼於YPtBi。YPtBi是具有半赫斯勒結構的三元合金，與拓撲絕緣體一樣，特點是具有自旋霍耳效應較強的拓撲表面態（TSS）。研究團隊利用濺射法制作了YPtBi膜與鐵磁體CoPt膜的異質接面膜。
YPtBi膜的平均表面粗糙度約爲2Å，是單位晶格的三分之一，擁有超平坦的界面，CoPt膜顯示出強垂直度磁各向異性。透過最適化YPtBi的成膜條件，可實施最大爲4.1的巨大自旋霍爾角，同時還具有能耐受600℃高溫的高耐熱性。
研究團隊利用這些異質接面膜，透過脈衝電流實施了磁化反轉實驗，應答可以有效進行CoPt的磁化反轉。另外，還觀察到了透過反轉外部磁場，磁化反轉方向也發生反轉的SOT方式的典型現象。此外發現，YPtBi膜可透過巨大的自旋霍爾角，生成能以比重金屬小一位數的電流密度實施CoPt膜磁反轉的自旋流。
Pham Nam Hai副教授表示：「材料表面局部具有金屬性的拓撲物質的自旋流生成效率比較高，因此作爲新一代非揮發性記憶體之一磁阻記憶體等的驅動電力降低技術備受期待，但現有拓撲材料存在有毒和耐熱性低等問題，難以實施產業應用。此次的成果有望加速使用拓撲物質的超低功耗自旋器件的產品化。」
【詞注】
■半赫斯勒型拓撲半金屬（HHA-TSM）：擁有半赫斯勒結構的三元合金零間隙半導體中，表面具有金屬導電狀態的材料。
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
