Nature Nanotechnology：新加坡國立大學在自旋電子學領域取得突破

近日，新加坡國立大學材料科學與工程系Chen Jingsheng教授課題組在自旋電子學領域取得重要進展。文章以“Symmetry-dependent field-free switching of perpendicular magnetization”為題發表在最新一期的《Nature Nanotechnology》雜志上。文章的合作單位包括新加坡國立大學，法國艾克斯-馬賽大學-馬賽納米科學中心。博士后研究員Liu?Liang與博士生Zhou Chenghang為文章共同第一作者。文章共同通訊作者為Chen Jingsheng教授與Aurelien Manchon 教授。

【背景介紹】

進入21世紀以來，飛速發展的自旋電子學技術旨在研究高速、低功耗的電子元器件。與傳統電子學利用電子的電荷不同，自旋電子學利用電子的自旋作為信息傳輸載體。在純自旋流的情況下，傳輸通道沒有耗散，即不會發熱；同時，得益于自旋相干效應，信息具有很快的傳輸速度。在自旋電子學中，磁信息的寫入，傳輸和讀取構成三要素。在最早的研究中，磁化翻轉或者操控只能利用外加磁場，比如硬盤的寫頭。這種方式的局限在于寫速度受限于寫頭的移動速度。在上個世紀末，Slonczewski和Berger等提出，可以利用自旋極化電流產生的轉移矩來翻轉磁化方向，這種效應被稱之為自旋轉移矩（STT）效應。這開啟了電流控制磁矩的研究序幕。2011年到2012年，Liu luqiao等人提出可以利用Pt，Ta等重金屬材料的自旋霍爾效應（SHE）來產生自旋極化，這種自旋極化傳輸到鄰近的鐵磁層(Co)就可以產生STT，驅動鐵磁層的磁化翻轉。同期Miron等也在Pt/Co/AlO_x?的結構中發現了電流驅動的磁化翻轉，并將其歸因于界面對稱破缺引起的Rashba效應。而后續眾多研究對這種重金屬層/鐵磁層（HM/FM）的異質結構中的物理機制做了深入探索，并將這種借助強的自旋軌道耦合效應（SOC）產生的有效磁場作用于磁矩的過程稱之為自旋軌道矩（SOT）。該自旋軌道轉矩通常需要施加一個面內的外磁場來打破對稱性從而實現磁化翻轉，這極大的限制了它的實際應用。因此當前SOT領域的一個研究重點是實現無外磁場輔助的電流驅動磁化翻轉（field-free SOT switching）。近年來報道的無外場輔助的電流驅動磁化翻轉需要借助另外一層功能層（例如反鐵磁層或者額外的鐵磁層）或者設置結構的不對稱性（比如設計楔形結構或者傾斜的磁化易軸），這些設計使體系結構變得復雜，并且可能引入一些外部因素的影響，從而給器件的實際應用增加了難度。因此，尋找一種更簡單的材料體系來實現無外場輔助的電流驅動磁化翻轉至關重要。

【成果簡介】

文章作者Liu?Liang及Zhou Chenghang介紹該研究成果擺脫了上述限制，通過磁控濺射外延生長的重金屬/鐵磁（HM/FM）異質結 L1_1?CuPt/CoPt可直接實現無外磁場輔助的電流驅動磁化翻轉。我們發現基于L1_1?CuPt/CoPt界面特殊的對稱性（3m1 point group）， 該體系可以在電流的作用下產生一種面外自旋軌道矩（out-of-plane spin-obit torque，稱之為 3m torque）。我們通過理論模型與實驗證明該3m軌道矩的大小和方向與電流在晶格中的流動方向直接相關，研究發現L1_1?CuPt/CoPt 的電流驅動磁翻轉行為和電流驅動的面外有效場，兩者呈現出一致的三重對稱性。更重要的是，我們制備的器件實現了100%磁化翻轉，并具有很好的熱穩定性和耐用性，在磁性存儲產業中有潛在應用。

【圖文導讀】

圖一，晶體結構與對稱性分析

(a)L1₁CuPt (CoPt)的晶體結構示意圖

(b)L1₁ 結構面內的對稱性分析

(c)L1₁CuPt (CoPt)的STEM圖像

圖二，對稱性相關的無外場磁化翻轉

(a)L1₁CuPt (CoPt)器件示意圖

(b)電流流動方向對應晶格方向示意圖

(c)反常霍爾效應曲線

(d)電流流動方向對應的磁化翻轉效率

(e)電流流動方向對應的磁化翻轉曲線

圖三， 對稱性相關的有效場

(a)樣品一階與二階霍爾信號

(b,c) 電流流動方向對應的面內有效場

(d-i) 電流流動方向對應的面外有效場

圖四，CuPt/CoPt 面外轉矩的理論模型

(a)無外場時的面內轉矩與面外轉矩的穩定性計算

(b-e) 電流流動方向對應的面內轉矩與面外轉矩示意圖

圖五， CuPt/CoPt 柱狀樣品的磁化翻轉

(a)CuPt/CoPt 柱狀樣品示意圖

(b)?樣品反常霍爾效應曲線

(c) 樣品無外場磁化翻轉曲線

(d-k) 樣品在正負22?mA電流下的MOKE圖

【小結】

在材料研究上，本文首次實現了基于HM/FM雙層結構的無外場的磁化翻轉，朝著完全基于電控磁存儲器邁進了重要的一步。就物理而言，我們的工作提供了一個廣泛的理論模型去解釋基于點群分析與宏觀計算的面外自旋轉矩，這將開啟更多基于低對稱性異質結的自旋轉矩研究的大門。在工業應用上，良好的熱穩定性以及出色的耐久性使得CuPt/CoPt有望應用在基于自旋軌道轉矩的磁性隨機存儲器中。

【通訊作者簡介】

陳景升，新加坡國立大學材料科學與工程系副教授，新國大蘇州研究院首席研究員。新加坡SG-SPIN聯盟管理委員會成員。

研究領域包括自旋電子學磁性材料/異質結構和器件的自旋軌道扭矩，自旋霍爾效應，Rashba效應，自旋波，自旋扭矩鐵磁共振；異質結構鐵電/鐵磁熱能；鐵電材料，鐵電隧道結和鐵電疇壁器件；基于磁非易失性存儲器的神經形態計算，非揮發性鐵電記憶體，電阻存儲器；強關聯相關的氧化物材料。自2008年，已獲得由世界上最大的硬盤公司美國希捷公司超過100萬美元的贊助，并獲得新加坡科學技術部，教育部和國家研究基金會超過1200萬新加坡元的贊助。相關研究成果近年來發表在 Nat. Nanotechnol.，Nat. Commun.，Adv. Mater.，Sci. Adv., Nano. Lett.，Phys. Rev. Lett.等著名國際期刊上。迄今為止論文總引用次數超過7000次，H-index為44(谷歌學術)。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41565-020-00826-8

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