即使切断电源，信息也不会消失的磁性随机存取存储器（MRAM），因有望显著降低电子设备的能耗而备受关注，但它在信息写入时的能效仍有待进一步提升。近年来，一种名为铥铁石榴石（TmIG）的新型磁性绝缘体，凭借低能耗且可实现高速控制的特性成为全球研究的热点，但既往制备方法局限于难以量产的特殊工艺。
九州大学研究生院系统信息科学研究院的山下尚人副教授、瑞典查尔姆斯理工大学博士生罗泽尔·恩加罗伊、萨罗吉·P·达什教授、韩国大邱庆北科学技术院（DGIST）的柳钟烈教授、信州大学的李垂范助教等人组成的国际联合研究团队，成功开发出解决这一难题的新型制备工艺。该成果成为高性能磁性绝缘体存储技术从基础研究迈向应用研究的关键一步，有望加速新型自旋电子器件的开发进程，为构建可持续的信息社会贡献力量。相关研究成果已发表在《npj Spintronics》上。
图1 通过电流脉冲实现磁化反转的示意图。在白金（Pt）层中通入电流，使磁性绝缘体TmIG的磁化方向发生反转。（供图：九州大学）
此次，上述国际联合研究团队尝试运用在MRAM量产线中标准采用的“同轴溅射法”来开发高品质TmIG薄膜制备工艺。
研究团队对成膜时的气体流量、压力、成膜后的热处理条件等进行了精密优化，首次借助产业化方法成功制备出了具有原子级平坦表面和理想晶体结构的高质量TmIG薄膜。当使用高分辨透射电子显微镜观察所制得的TmIG薄膜截面时，研究人员发现，原子排列继承了基板的晶体结构，这表明TmIG发生了外延生长反应，形成了高品质的单晶结构。
此外，研究团队将该TmIG薄膜与Pt层进行堆叠，并开展微细加工，制作成霍尔元件。在向Pt层施加微小电流脉冲后，成功实现了TmIG磁化方向的稳定反转，且这一过程可重复超过100次。另外，实现磁化反转（信息写入）所需的电流密度，与采用脉冲激光沉积（PLD）等传统方式制备的高质量元件相当，甚至展现出了低能耗性能。
由此，研究团队运用适合量产的工艺方法，成功制备出了质量极高的TmIG薄膜，并证明了其能够实现高能效的信息写入。
目前，团队正基于此次开发的制造技术，充分发挥磁性石榴石材料的特性，研发具备新功能的器件。未来，团队计划将这一技术拓展至“存内计算（Compute In Memory）”领域，致力于推动后MRAM时代自旋电子学器件的发展。
山下尚人副教授表示：“TmIG是日本研发出来的材料。近年来，随着有关其在高速、低功耗磁化反转方面成果的报告不断增多，已成为备受全球关注的材料。本次研究成果为全世界研究者长期攻克的难题提供了一个可行方案。这一成果离不开众多合作研究者的探讨与支持。未来，我们将以产学合作为目标，加速开展面向新功能创造的研究工作。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：npj Spintronics
论文：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
