量子自旋的磅礴巨浪：磁振子自旋矩｜Science述评学术资讯

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评述论文：Magnetization switching by magnon-mediated spin torque through an antiferromagnetic insulator (Science 29 NOVEMBER, 2019: Vol 366, Issue 6469)

1897年，英国剑桥大学物理学家约瑟夫·汤姆逊发现电子，使人类第一次真正地走进微观世界。25年之后，德国科学家施特恩和盖拉赫等人的实验表明电子除了带一个负电荷还具有自旋这一量子属性，将人类带入电子的微观量子世界。20世纪以来，基于电子电荷属性的微电子技术推动了信息社会的变革，奠定了第三次产业革命的基础。然而，遵循摩尔定律飞速发展的现代电子器件越来越小，在尺寸上逼近物理极限，持续发展将面对高功耗和器件发热等严峻挑战。将自旋作为信息储存、处理、输运的主体，利用电子的自旋量子属性有望突破这些局限。因此，利用电子的自旋属性开发新型的电子自旋器件具有广阔的前景，已成为新一轮信息产业革命的核心技术之一。

对自旋进行高效调控是自旋电子学的核心。现有自旋电子器件的主要自旋调控手段有：（1）电流产生奥斯特磁场。这种自旋调控手段被广泛应用在磁盘和第一代磁性随机存储器上。（2）电流自旋矩。其主要机理是首先将电流中的电子进行自旋极化，进而调控目标材料中的电子自旋方向。根据自旋极化物理机理的不同，电流自旋矩可以分为自旋转移矩(Spin Transfer Torque, STT)和自旋轨道矩(Spin Orbit Torque, SOT)。当前，STT已经应用在新一代商用磁性随机存储器。然而，以上这些自旋调控手段都仍然需要施加电流，电子高速运动和频繁碰撞引起的焦耳发热(Joule Heating)问题不但带来高能耗问题，也限制了自旋电子器件速度与集成密度的提高。

图1. 电流自旋矩与磁振子自旋矩示意图

聚焦自旋电子学中这一关键科学技术问题，大连理工大学王译教授与新加坡国立大学朱大鹏博士、Hyunsoo Yang教授组成的研究团队、以及韩国高丽大学Kyung-Jin Lee教授等人，首次实现通过磁振子来驱动自旋电子器件中铁磁层自旋翻转，从而进行高效信息写入。自旋波是自旋进动的集体激发态，而磁振子是自旋波量子化的准粒子。不局限于金属导体，磁振子还可以在半导体和绝缘体中无热耗散、低阻尼、长距离进行传播。更为重要的是，磁振子和电流一样可以携带自旋，能够高效传导自旋流。通过磁振子传导自旋流进而产生自旋矩，称为磁振子自旋矩。相较于电流自旋矩，磁振子自旋矩不需要电子定向运动，从根本上避免了传统器件发热问题。

图2. 磁振子自旋矩驱动磁性层磁矩翻转

在该工作中，研究者们利用反铁磁绝缘体NiO与拓扑绝缘体Bi2Se3构成的异质结薄膜高效产生和传导磁振子，在室温条件下利用磁振子自旋矩效应成功地翻转了NiFe和CoFeB铁磁薄膜的磁矩方向。同时，该研究工作表明磁振子自旋矩与目前电子自旋矩效率相当，将可以广泛应用在新一代自旋逻辑、存储、二极管、晶体管、波导和开关等电子器件中，推动信息技术在后摩尔时代的进一步发展。

述评人简介：丘学鹏

博士，同济大学研究员，上海市“东方学者”特聘教授。主要从事磁性材料和自旋电子学研究。

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