东京工业大学工学院电气电子系的副教授Pham Nam Hai和研究生白仓孝典与“KIOXIA存储器技术研究所”器件技术研发中心的近藤刚主任等人组成的联合研究团队，制作了兼具高自旋流生成效率和高耐热性的半赫斯勒型拓扑半金属（HHA-TSM）YPtBi薄膜，并成功验证了其动作情况。
图：（a）基于V族和VI族的常规拓扑绝缘体的晶体结构（左）及其能带结构（右）。（b）HHA-TSM的晶体结构（左）及其能带结构（右）。（c）利用溅射法形成的YPtBi膜中Bi组成比的成膜温度依赖性。YPtBi膜和磁性体CoPt膜的异质结膜磁化反转实验中的（d）脉冲电流施加顺序及（e）对应的磁化反转结果。蓝球对应平行于电流施加0.5kOe外部磁场时的磁化反转结果，红球对应反平行于电流施加0.5kOe外部磁场时的磁化反转结果。（供图：东京工业大学，论文：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).）
近年来，利用自旋轨道矩（SOT）方式的非易失性存储器因可以比以往的自旋转移矩（STT）方式更高效地生成自旋流而引起关注。SOT方式利用自旋霍尔效应生成自旋流。这种自旋霍尔效应的强度由自旋霍尔角（θSH）表示，其大小由材料中的杂质浓度和能带结构决定。拓扑绝缘体虽然具有超过1的巨大θSH，但由于仅由V族和Ⅵ族构成，耐热性只有300℃左右，存在对半导体集成工艺的亲和性较低的问题。
研究团队为解决这个问题开始着眼于YPtBi。YPtBi是具有半赫斯勒结构的三元合金，与拓扑绝缘体一样，特点是具有自旋霍尔效应较强的拓扑表面态（TSS）。研究团队利用溅射法制作了YPtBi膜与铁磁体CoPt膜的异质结膜。
YPtBi膜的平均表面粗糙度约为2Å，是单位晶格的三分之一，拥有超平坦的界面，CoPt膜显示出强垂直磁各向异性。通过优化YPtBi的成膜条件，可实现最大为4.1的巨大自旋霍尔角，同时还具有能耐受600℃高温的高耐热性。
研究团队利用这些异质结膜，通过脉冲电流实施了磁化反转实验，确认可以有效进行CoPt的磁化反转。另外，还观察到了通过反转外部磁场，磁化反转方向也发生反转的SOT方式的典型现象。此外发现，YPtBi膜可通过巨大的自旋霍尔角，生成能以比重金属小一位数的电流密度实现CoPt膜磁反转的自旋流。
Pham Nam Hai副教授表示：“材料表面局部具有金属性的拓扑物质的自旋流生成效率比较高，因此作为新一代非易失性存储器之一磁阻存储器等的驱动电力降低技术备受期待，但现有拓扑材料存在有毒和耐热性低等问题，难以实现产业应用。此次的成果有望加速使用拓扑物质的超低功耗自旋器件的产品化。”
【词注】
■半赫斯勒型拓扑半金属（HHA-TSM）：拥有半赫斯勒结构的三元合金零间隙半导体中，表面具有金属导电状态的材料。
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
