Nature Nanotechnology：新加坡国立大学在自旋电子学领域取得突破

材料人

近日，新加坡国立大学材料科学与工程系Chen Jingsheng教授课题组在自旋电子学领域取得重要进展。文章以“Symmetry-dependent field-free switching of perpendicular magnetization”为题发表在最新一期的《Nature Nanotechnology》杂志上。文章的合作单位包括新加坡国立大学，法国艾克斯-马赛大学-马赛纳米科学中心。博士后研究员Liu Liang与博士生Zhou Chenghang为文章共同第一作者。文章共同通讯作者为Chen Jingsheng教授与Aurelien Manchon 教授。

【背景介绍】

进入21世纪以来，飞速发展的自旋电子学技术旨在研究高速、低功耗的电子元器件。与传统电子学利用电子的电荷不同，自旋电子学利用电子的自旋作为信息传输载体。在纯自旋流的情况下，传输通道没有耗散，即不会发热；同时，得益于自旋相干效应，信息具有很快的传输速度。在自旋电子学中，磁信息的写入，传输和读取构成三要素。在最早的研究中，磁化翻转或者操控只能利用外加磁场，比如硬盘的写头。这种方式的局限在于写速度受限于写头的移动速度。在上个世纪末，Slonczewski和Berger等提出，可以利用自旋极化电流产生的转移矩来翻转磁化方向，这种效应被称之为自旋转移矩（STT）效应。这开启了电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等重金属材料的自旋霍尔效应（SHE）来产生自旋极化，这种自旋极化传输到邻近的铁磁层(Co)就可以产生STT，驱动铁磁层的磁化翻转。同期Miron等也在Pt/Co/AlO_x 的结构中发现了电流驱动的磁化翻转，并将其归因于界面对称破缺引起的Rashba效应。而后续众多研究对这种重金属层/铁磁层（HM/FM）的异质结构中的物理机制做了深入探索，并将这种借助强的自旋轨道耦合效应（SOC）产生的有效磁场作用于磁矩的过程称之为自旋轨道矩（SOT）。该自旋轨道转矩通常需要施加一个面内的外磁场来打破对称性从而实现磁化翻转，这极大的限制了它的实际应用。因此当前SOT领域的一个研究重点是实现无外磁场辅助的电流驱动磁化翻转（field-free SOT switching）。近年来报道的无外场辅助的电流驱动磁化翻转需要借助另外一层功能层（例如反铁磁层或者额外的铁磁层）或者设置结构的不对称性（比如设计楔形结构或者倾斜的磁化易轴），这些设计使体系结构变得复杂，并且可能引入一些外部因素的影响，从而给器件的实际应用增加了难度。因此，寻找一种更简单的材料体系来实现无外场辅助的电流驱动磁化翻转至关重要。

【成果简介】

文章作者Liu Liang及Zhou Chenghang介绍该研究成果摆脱了上述限制，通过磁控溅射外延生长的重金属/铁磁（HM/FM）异质结 L1₁CuPt/CoPt可直接实现无外磁场辅助的电流驱动磁化翻转。我们发现基于L1₁CuPt/CoPt界面特殊的对称性（3m1 point group），该体系可以在电流的作用下产生一种面外自旋轨道矩（out-of-plane spin-obit torque，称之为 3m torque）。我们通过理论模型与实验证明该3m轨道矩的大小和方向与电流在晶格中的流动方向直接相关，研究发现L1₁CuPt/CoPt 的电流驱动磁翻转行为和电流驱动的面外有效场，两者呈现出一致的三重对称性。更重要的是，我们制备的器件实现了100%磁化翻转，并具有很好的热稳定性和耐用性，在磁性存储产业中有潜在应用。

【图文导读】

图一，晶体结构与对称性分析

(a)L1₁CuPt (CoPt)的晶体结构示意图

(b)L1₁结构面内的对称性分析

(c)L1₁CuPt (CoPt)的STEM图像

图二，对称性相关的无外场磁化翻转

(a)L1₁CuPt (CoPt)器件示意图

(b)电流流动方向对应晶格方向示意图

(c)反常霍尔效应曲线

(d)电流流动方向对应的磁化翻转效率

(e)电流流动方向对应的磁化翻转曲线

图三，对称性相关的有效场

(a)样品一阶与二阶霍尔信号

(b,c) 电流流动方向对应的面内有效场

(d-i) 电流流动方向对应的面外有效场

图四，CuPt/CoPt 面外转矩的理论模型

(a)无外场时的面内转矩与面外转矩的稳定性计算

(b-e) 电流流动方向对应的面内转矩与面外转矩示意图

图五， CuPt/CoPt 柱状样品的磁化翻转

(a)CuPt/CoPt 柱状样品示意图

(b) 样品反常霍尔效应曲线

(d-k) 样品在正负22 mA电流下的MOKE图

【小结】

在材料研究上，本文首次实现了基于HM/FM双层结构的无外场的磁化翻转，朝着完全基于电控磁存储器迈进了重要的一步。就物理而言，我们的工作提供了一个广泛的理论模型去解释基于点群分析与宏观计算的面外自旋转矩，这将开启更多基于低对称性异质结的自旋转矩研究的大门。在工业应用上，良好的热稳定性以及出色的耐久性使得CuPt/CoPt有望应用在基于自旋轨道转矩的磁性随机存储器中。

【通讯作者简介】

陈景升，新加坡国立大学材料科学与工程系副教授，新国大苏州研究院首席研究员。新加坡SG-SPIN联盟管理委员会成员。

研究领域包括自旋电子学磁性材料/异质结构和器件的自旋轨道扭矩，自旋霍尔效应，Rashba效应，自旋波，自旋扭矩铁磁共振；异质结构铁电/铁磁热能；铁电材料，铁电隧道结和铁电畴壁器件；基于磁非易失性存储器的神经形态计算，非挥发性铁电记忆体，电阻存储器；强关联相关的氧化物材料。自2008年，已获得由世界上最大的硬盘公司美国希捷公司超过100万美元的赞助，并获得新加坡科学技术部，教育部和国家研究基金会超过1200万新加坡元的赞助。相关研究成果近年来发表在 Nat. Nanotechnol.，Nat. Commun.，Adv. Mater.，Sci. Adv., Nano. Lett.，Phys. Rev. Lett.等著名国际期刊上。迄今为止论文总引用次数超过7000次，H-index为44(谷歌学术)。

论文链接：

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

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