Magnetic memory driven by topological insulators

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作者
Hao Wu,Aitian Chen,Peng Zhang,Haoran He,John Nance,Chenyang Guo,Julian Sasaki,Takanori Shirokura,Pham Nam Hai,Bin Fang,Seyed Armin Razavi,Kin Wong,Yan Wen,Yinchang Ma,Guoqiang Yu,Gregory P. Carman,Xiufeng Han,Xixiang Zhang,Kang L. Wang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:12 (1) 被引量:93
标识
DOI:10.1038/s41467-021-26478-3
摘要

Giant spin-orbit torque (SOT) from topological insulators (TIs) provides an energy efficient writing method for magnetic memory, which, however, is still premature for practical applications due to the challenge of the integration with magnetic tunnel junctions (MTJs). Here, we demonstrate a functional TI-MTJ device that could become the core element of the future energy-efficient spintronic devices, such as SOT-based magnetic random-access memory (SOT-MRAM). The state-of-the-art tunneling magnetoresistance (TMR) ratio of 102% and the ultralow switching current density of 1.2 × 105 A cm-2 have been simultaneously achieved in the TI-MTJ device at room temperature, laying down the foundation for TI-driven SOT-MRAM. The charge-spin conversion efficiency θSH in TIs is quantified by both the SOT-induced shift of the magnetic switching field (θSH = 1.59) and the SOT-induced ferromagnetic resonance (ST-FMR) (θSH = 1.02), which is one order of magnitude larger than that in conventional heavy metals. These results inspire a revolution of SOT-MRAM from classical to quantum materials, with great potential to further reduce the energy consumption.
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