国立产业技术综合研究所［会长吉川博之］（以下简称“AIST”）电子研究部［研究主任和田俊美］自旋电子学组研究组组长汤浅真司和久保田仁志主要研究员是国立大学法人大阪大学工程科学研究科的铃木义茂与佳能Anelva Inc教授合作，正在开发下一代非易失性存储器旋转 RAM自旋注入扭矩的方法。
下一代称为千兆级旋转 RAM磁阻随机存取存储器(MRAM)写入信息自旋注入磁化反转投入实际使用，开发它的竞争正在加剧。自旋注入磁化反转是由自旋极化电流产生的自旋注入扭矩对磁性材料的磁化施加旋转力，引起磁化反转（记录层中磁体的方向反转，即写入）。
到目前为止，还没有方法可以直接测量自旋注入扭矩的大小，因此不知道如何开发最佳材料。这次，我们在世界上首次建立了一种测量自旋注入扭矩大小的方法，同时施加与实际操作自旋RAM时相同的电压。这种评估方法的出现有望显着加速自旋RAM的研究和开发。
该研究成果于2007年11月25日18:00（英国时间）发表在《英国科学杂志》上自然物理学以电子版发布。
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| 自旋扭矩测量概念示意图 |
从资源和能源节约的角度来看，社会对更小型电子设备和更低功耗的需求日益增长。目前个人电脑、手机等中使用的半导体存储器（DRAM）是一种易失性存储元件，在运行过程中需要不断刷新。为了节能，强烈需要非波动性。 MRAM基于磁阻元件，具有非易失性、高速、高重写耐久性等特性，因此正在被开发为超越传统半导体存储器的通用存储器。
MRAM和硬盘驱动器是荣获2007年诺贝尔物理学奖的自旋电子学研究领域的典型应用。该领域于 1988 年在德国成立P·格伦伯格和法国A·费特这两位博士的研究以来，进展很快，基础研究的成果正在陆续应用到产品中，研发极为活跃。
1995年由东北大学宫崎教授领导的小组开发铁磁隧道结是构成近期自旋电子学基础的重要基础技术。采用这种铁磁隧道结的MRAM于2006年被一家美国公司投入实用。然而，MRAM的容量仅限于100兆比特左右，为了实现有望获得重大应用的千兆比特级容量，需要在信息的读取和写入方面取得突破。
2004 年，AIST 开发了一种铁磁隧道结，该隧道结使用 MgO 作为绝缘层，并表现出巨大的隧道磁阻效应，读出问题得到了解决 (2004 年 3 月 2 日、同年 9 月 7 日新闻公告）。目前，写作问题仍然是一个问题。称为自旋RAM的自旋注入磁化反转写入型MRAM有望成为该问题的解决方案。 Spin RAM利用自旋注入扭矩来执行磁化反转，原则上不存在当前MRAM方法（利用磁场执行磁化反转）的问题，例如由于容量增加而导致功耗快速增加。
然而，当前自旋注入磁化反转所需的电流仍然太大。有必要开发能够产生大自旋注入扭矩的新材料来减少这种情况。然而，直到现在还没有测量自旋注入扭矩的方法，因此在开发材料时没有任何线索。
2005年，该研究团队在国际上首次报道了自旋扭矩二极管效应现象，该现象将自旋注入扭矩转化为直流电压（2005 年 11 月 17 日新闻公告）。这次，我们创造了世界上第一个利用这种效应来定量评估自旋注入扭矩的方法。
该成果是新能源和产业技术开发组织作为纳米技术计划的一部分进行的研究项目“自旋电子学非易失性功能技术项目”的成果。
自旋注入磁化反转
隧道磁阻元件由三层组成。第一层是磁化自由层（CoFeB）的电极，第二层是绝缘层（MgO）的隧道势垒，第三层是磁化固定层（CoFeB）的电极。该隧道磁阻元件被加工成横截面约为 70 nm x 250 nm 的柱状（图 1）。上层是2 nm厚的CoFeB铁磁材料（磁体），由于其磁化（磁极方向）可以旋转，因此被称为无磁化层。另一方面，底层由厚度为3nm的CoFeB制成，由于磁化方向是固定的，因此被称为固定磁化层。磁阻元件是当这两种铁磁材料的磁化方向一致时电阻减小，而当磁化方向相反时电阻增大的元件。通过根据磁化方向使电阻的大小对应于“0”和“1”，可以写入和保留信息。
当电流流过该元件时，电子的“自旋”也会流动，并且在注入磁化自由层的自旋和磁化之间产生旋转力。该旋转力称为“自旋注入扭矩”。 “自旋注入磁化反转”利用了这种旋转力。迄今为止，人们认为铁磁材料的磁化方向只能通过磁场来控制。 1996 年，斯隆切夫斯基（IBM，美国）对自旋注入扭矩进行了理论预测，后来得到了实验的证实。这实现了利用电流控制磁化方向的方法，从此对该现象的研究从基础和应用两个方面都取得了进展。
图2显示了自旋注入扭矩测量的示意图。图中，(1)示出了铁磁隧道结的磁化自由层和磁化固定层的磁化反平行排列的情况，(2)示出了它们平行排列的情况。这两个状态是稳定状态，分别对应于存储器状态“0”和“1”。当电流通过该元件时，磁化自由层的磁化通过自旋注入扭矩而旋转，如(3)所示。自旋注入扭矩越大，该旋转角度就越大，当旋转角度超过90度时，就会发生磁化反转（信息重写）。
图1铁磁隧道结示意图 |
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图2 自旋扭矩测量示意图
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直接观察自旋注入扭矩
2005 年，AIST 的同一小组发现，当微波施加到使用 MgO 作为绝缘层的隧道结时，会发生“自旋注入磁共振”，结果检测/纠正措施可以得到（自旋扭矩二极管效应）（2005 年 11 月 17 日新闻公告）。目前的结果建立了一种利用自旋扭矩二极管效应测量自旋注入扭矩大小的方法。
通过这项研究，我们首次阐明了自旋注入扭矩如何根据施加到器件的直流电压而变化。图3示出了自旋扭矩二极管频谱的测量示例，图4示出了作为分析结果获得的自旋注入扭矩的电压依赖性。图 4 证实，当直流电压在 0 mV 左右时，它表现出线性行为，与迄今为止的直观预测一致。然而，已证实，在-200mV以下和+200mV以上的情况下，电压偏离直线并表现出与先前预期不同的行为。
图 3 自旋扭矩二极管频谱 |
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图 4 自旋扭矩的电压依赖性
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既然可以测量自旋注入扭矩的大小，就可以从其电压依赖性来阐明其物理机制的细节，这可以为开发高效产生自旋注入扭矩的新材料提供线索。
通过建立一种直接评估自旋注入扭矩的方法，我们可以预期该技术将为自旋RAM的高效驱动方法提供指导。我们将测量自旋扭矩并阐明自旋扭矩与材料和层压结构之间的关系。此外，对自旋注入扭矩物理机制的理解的进展预计将导致新的自旋器件的产生。