零場開關可以實現低能耗的存儲器和計算設備

一種被稱為零場開關（ZFS）的出人意料的現象，可以用於實現相比於現有的可能達到的水平而言體積更小、功耗更低的存儲器和計算設備。圖示展示了鉑（Pt）、鎢（W）和鈷-鐵-硼磁體（CoFeB）磁體在硅（Si）表面上由金（Au）電極夾在兩端的層狀結構。灰色箭頭注入電流和流出電流的整體方向。注入電流由背面金（Au）觸點電極流入、並從前面金觸點電極流出。

CoFeB層是一個納米厚的磁體，其可以存儲一些數據。「1」對應於指向上方的CoFeB磁化（向上箭頭），並且「0」表示朝向下方的磁化（向下箭頭）。由於磁化方向的改變可以通過一種稱為磁光克爾效應（MOKE）的現象改變照射在材料上的光的反射率實現，所以可以電和光讀取「0」或「1」。

在該裝置中，電流可以在代表0和1的數據狀態之間翻轉。在這之前的裝置還需要磁場或其他更複雜的措施來改變材料的磁化方向。那些早期的器件對於構建穩定的非易失性存儲器設備並不是非常有用。

這是一個被稱為零場切換（ZFS）的意料之外的現象的示例圖，它可以用於實現相比於現有的可能達到的水平而言體積更小、功耗更低的存儲器和計算設備。圖示展示了鉑（Pt）、鎢（W）和鈷-鐵-硼磁體（CoFeB）磁體在硅（Si）表面上由金（Au）電極夾在兩端的層狀結構。灰色箭頭注入電流和流出電流的整體方向。注入電流由背面金（Au）觸點電極流入、並從前面金觸點電極流出。CoFeB層是一個納米厚的磁體，其可以存儲一些數據。「1」對應於指向上方的CoFeB磁化（向上箭頭），並且「0」表示朝向下方的磁化（向下箭頭）。（圖片來源：Gopman / NIST）

約翰霍普金斯大學和NIST之間的研究合作取得了突破性進展。研究小組發現，他們可以通過僅控制與CoFeB納米磁鐵相鄰的Pt和W金屬層的電流是否流通，即可實現在0和1狀態之間以穩定的方式翻轉CoFeB的磁化強度。他們不需要磁場。這種ZFS（零場切換）效果是令人驚訝的，並且尚未在理論上預測。

在他們的研究中，研究人員們創造了一種被稱為「自旋」電流的特殊電流。攜帶電流的電子具有被稱為自旋的性質，其可以被想像成指向特定方向的棒狀磁體通過電子。

在被稱為「自旋電子學」的新興領域中，自旋電流越來越多地被利用，其中電子的自旋指向相同的方向。當電子穿過材料時，其自旋與其運動（稱為自旋軌道扭矩SOT）之間的相互作用產生自旋電流，在自旋電流中具有相同自旋態的電子在一個方向上垂直於電流移動，而具有相反自旋的電子狀態朝相反的方向移動。

所產生的自旋與CoFeB磁性層相鄰，在該層上施加扭矩，導致其磁化翻轉。沒有自旋電流，CoFeB磁化在電流和溫度的任何波動下都是穩定的。這種意想不到的ZFS效應給理論家們提出了關於所觀察到的SOT引起的轉換現象的基本機制的新問題。

圖中顯示了自旋軌道扭矩的細節。紫色箭頭表示每層中電子的自旋。藍色的彎曲箭頭顯示了這種類型的自旋被轉移的方向。（例如，在W層中，在x-y平面上左旋的電子被轉向CoFeB向上移動，並且右旋的電子向下移向Pt）。

注意電子自旋向右旋轉（在x-y平面中），然而被轉向向上朝著W移動，而向左旋轉的電子自旋被轉向向下朝著Si移動。這與W中電子自旋的運動方向相反，這是由於電子穿過Pt和穿過W的電子經歷的SOT不同所致。事實上，正是電子穿過電子的方式存在差異這兩個導體中的每一個對於實現不尋常的ZFS效應可能是重要的。

包括NIST科學家Daniel Gopman，Robert Shull和NIST客座研究員Yury Kabanov以及約翰霍普金斯大學研究人員Qinli Ma，Yufan Li和Chia-Ling Chien教授在內的研究小組在「Physical Review Letters」 （"Switching a Perpendicular Ferromagnetic Layer by Competing Spin Currents"）上發表了他們的研究成果。

研究人員們正在進行的研究試圖找出其他可能的材料，這些材料可以使單個垂直的納米磁鐵的零場轉換，並確定對具有較小橫向尺寸的納米磁棒的行為變化，並且為這一意想不到的切換現象發展理論基礎。

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