19.自旋转移力矩（Spin-transfer torque）

目前，自旋电子学相关的课题，无论是物质材料，还是工程器件，大多数都仍然处于理论和实验的研究阶段。在已经获得商业成功的GMR、TMR硬盘读出磁头的带动下，磁性随机存储器（MRAM）算是已经进入市场的实例之一。MRAM市场成功的转折点，是在2007年，IBM公司和TDK公司，以及后来的东芝，开发使用了一种称为自旋力矩转换（spin-torque-transfer，STT）的新型技术之后。本节将对此技术做一简介。

读者可能还记得前面几节中介绍过的巨磁电阻效应和隧道磁阻效应。它们是用三明治薄膜结构中上下夹层的相对磁化方向，来控制电流：当上下磁性夹层磁化方向相同时，电阻小电流大；当上下磁性夹层磁化方向相反时，电阻大电流小。因而这种效应可以用于读取已经记录在硬盘上的磁性信息。现在，对随机存储器来说，除了读取信息之外，‘写入’信息也是非常重要的一环。实际上，‘写入’是‘读取’的反过程。既然磁阻效应被用作‘读取’，这种效应的相反过程，就应该可以被用作‘写入’了。那么，到底有没有一个TMR（或GMR）的反（逆）过程存在呢？对此，物理学家们已经有了答案，这个与自旋相关的磁阻效应的‘逆’效应，就是自旋力矩转换。

叙述得更清楚一些：自旋力矩转换是在磁性随机储存技术中，用来写入计算机中的‘0’和‘1’逻辑信息的。通常被缩写为“STT-MRAM”。现在，首先让我们了解一下，这种新技术与它之前的存储方法比较，有何优越性？

图19.1：MRAM的优越性

所谓随机储存技术，即各种RAM，算是目前大多数计算机的一种短期记忆方式。电脑不像人脑那样，人脑细胞既管运算，又管记忆。电脑却将它们截然分开：长期保存数据的硬盘，放在电脑脑袋中的一个角落，离主宰运算的CPU远远的。因为硬盘利用的是铁磁性物质，铁磁体可以被用于制造永久磁铁，硬盘也就被用作电脑的‘长期记忆’。这个能永久储存的大仓库虽然保险，存取却很不方便。于是，CPU旁边便被安置了一个临时放点东西的地方，这就是电脑中的RAM。

大多数种类的RAM（DRAM、SRAM等），都只是利用了电子形成的电荷流。而传统使用的半导体硅，也不像铁磁体那样擅长‘永久记忆’。因此，这些传统RAM的记忆都是挥发性的。挥发的意思是说断电后数据便消失了。因此，使用DRAM、SRAM的机器，即使是在sleeping的状态下，也需要一定的电力来维持数据，这样做的结果造成了额外的耗电和发热。而MRAM的优越性则是存储的数据不会挥发。因为MRAM利用了自旋的磁性，现在先进的材料技术又使我们能将铁磁物质与半导体材料结合起来。所以，MRAM就能结合硬盘‘永久记忆’ 的优点。它无需电流来维持记忆。当用MRAM来运行的计算机不想工作的时候，随时可以睡个清凉的午觉。或者说，当你重新启动计算机并想进入窗口的时候，将不再需要看着那个转悠的小圈圈等待老半天了。为什么原来需要等待呢？那是因为CPU一大早醒过来时，发现它旁边的DRAM中空荡荡的，什么也没有啊！昨天的‘窗口’已经被拆卸运走了，需要重建。那么，CPU只好迅速指挥运输人员将它所需要的各种零件从远远的大仓库运送过来。这时，我们也就只好等待啦。而有了MRAM后就不一样了，CPU上一次建造好的‘窗口’还在那儿，只需要打开就行了。

也有研究者对原来那种只利用电流、而无法长期保留的挥发记忆方式进行改进，做成了FLASH记忆器。虽然FLASH不是使用磁性原理，但它和MRAM类似，也是属于‘非挥发’的。不过FLASH的缺点是：当数据改变了需要抹去记忆重复写入时，要使用较高的电压（10V左右）。这会逐渐损害FLASH的结构，使其健康状况日益恶化，而造成抹写的次数有限。反之，MRAM则无此限制，是一个几乎能重复读写无限多次的长寿者。

上面解释的是一般磁内存MRAM的优点，而基于自旋转移力矩（STT）的MRAM，比较传统的MRAM，又是一个革命性的改变。

由图19.1c可见，STT-MRAM和传统MRAM共同的关键部分是磁隧道结（MTJ）。也就是在前面解释隧道磁阻效应时使用的那种上下为磁性金属薄膜，中间为绝缘层的三明治结构。

概括地说，利用物质磁性来储存信息的本质，就是电和磁转换的过程。写入时，将电流变成磁；读出时，则将磁变成电。磁隧道结MTJ是擅长这两种功能的专家。磁隧道结读出时，是利用隧道磁阻效应，写出时则使用‘自旋转移力矩’技术。

图19.1c左图所示的，是应用STT技术之前的磁内存原理：携带逻辑信息的电流通过导线时，在导线周围空间产生环形磁场，这个磁场作用到MTJ的铁磁体上。电流方向不同（0或1），记录下来的磁场极化方向便不一样。

传统磁内存的方式显然是效率不高的，因为电流产生的磁场弥漫于空间，只有一小部分进入到MTJ的磁性物质中。最有效的办法当然是直接将电流注入到磁性物质中去。不过原来工程师们以为，电流由电荷组成，电荷与磁性不相干呀！现在不同了，他们认识到电子除了电荷，还有自旋。自旋和磁性是可以相互作用的。然后，接下来，就有了用电流来直接驱动磁隧道结储存数据的方法，即STT-MRAM（19.1c右图）。

图19.2：基于STT的磁内存原理和进动原理

1996年，美国纽约IBM的材料物理学家Slonczewski^【1】和美国卡内基·梅隆大学的Berger教授^【2】通过计算预测：当自旋极化电流流过纳米尺寸的铁磁薄膜时，能使铁磁薄膜中的原子磁矩发生变化。换言之，电子的自旋能对铁磁原子产生力矩，这个力矩可以被用来‘扭转’铁磁体薄膜的磁化方向。这两篇文章为自旋转移力矩的技术奠定了理论基础，说明直接用电流来驱动磁隧道结，而不是用电流导线产生的环形磁场来改变磁性的写入方法是可行的。图19.2a说明了STT-MRAM的工作原理。

自旋的电子能对MTJ中铁磁原子施加力矩，使其作进动，最后产生磁矩翻转（图19.2b左图）。说到进动，大家就很熟悉了！最常见的例子就是孩子们喜欢玩的陀螺。如图19.2b所示，一个在地面上高速旋转的陀螺（图19.2b右图），会受到重力的作用但却能暂时不倒，原因是什么呢？那正是因为重力产生的力矩转换成了角动量，引起陀螺的转动轴不断改变方向，沿着通过陀螺顶点的垂直线作进动的缘故。

图19.3：写入电流（‘0’或‘1’）通过磁隧道结的情形

图19.3说明STT-磁内存中的MTJ在正反两种不同方向的写入电流通过时的工作原理。

磁隧道结由左右铁磁层和中间的绝缘体组成。图中各层的厚度并不是实际的尺寸。实际上，最左边一层要做得比另外两层厚很多，其目的是将左层的磁化方向‘钉扎’住保持不变，因而称之为固定层；而最右边铁磁层的磁化方向是不固定、可以转动的，称之为自由层。

现在假设，当需要写入的状态为‘0’时，电流从右至左通过MTJ，电子运动的方向则是从左到右（见图19.3a）。也就是说，电子首先经过固定层。该层的磁化方向固定向上，电子经过后，它们的自旋也都‘被迫’选取了这个方向（向上）。因此，电流成为‘上’自旋极化电流。这时，电流中所有的自旋电子，如同一列跳集体舞的芭蕾舞者，在向前移动的同时，还朝同一方向绕自身旋转！

这些芭蕾舞者来到了自由层，自由层的守卫士兵们（铁磁体中的原子磁矩）也在朝某个方向绕自身旋转。如果芭蕾舞者的自旋方向与士兵的自旋方向不同，互相的舞步便会不和谐而有所干扰。换成物理学的术语就是说，极化电子和极化原子互相都有一个力矩作用于对方，使两者产生进动。进动并不是一个自然的稳定状态，就像没有外力供给的陀螺，最终总会倒下而停止那样。自由层中的士兵们，也拗不过芭蕾舞者，最后被‘征服’而与她们同步，转为‘上旋’方向。换言之，对电流信号‘0’，自由层和固定层的磁化最后将会趋于一致。

如果写入电流反向（对应‘1’），电子运动方向变成从右向左，如图19.3b所示。芭蕾舞者们先来到自由层，她们也会受到自由层士兵们舞步的影响而取其方向。但是，因为自由层太薄，她们的人数又足够多，大多数舞者还来不及转向就轻飘飘地飘到了固定层。要知道，固定层的‘上旋’转向是顽固而不容改变的！它们让上旋的电子轻易通过固定层，却将下旋电子反射回去，这些下旋电子返回到自由层时，又对自由层原子施以力矩，使它们的磁矩被‘扭转’朝下。因此，对电流信号‘1’而言，自由层和固定层的磁场最后将会相反。

如上所述，将自由层的极化方向记录下来，便完成了STT-MRAM的写入过程。

参考资料：􀂄

【1】Slonczewski, J. C. Current-driven excitationof magnetic multilayers. J. Magn. Magn. Mater. 159, L1±L7 (1996).

【2】Berger, L. Emission of spin waves by amagnetic multilayer traversed by a current. Phys. Rev. B 54, 9353±9358 (1996).

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