中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所團(tuán)隊(duì)在自旋器件翻轉(zhuǎn)新機(jī)制方面取得重要進(jìn)展

作者：愛集微 2024-04-12

來源：中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 #中國(guó)科學(xué)院# #自旋電子#

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自旋電子器件被認(rèn)為是后摩爾時(shí)代存儲(chǔ)和邏輯器件最有前景的解決方案之一。自旋電子學(xué)的核心是磁性比特的電流翻轉(zhuǎn)。然而，經(jīng)過二十年的科學(xué)探索，人們?nèi)匀粺o法定量甚至定性地理解面內(nèi)電流翻轉(zhuǎn)垂直磁矩的物理現(xiàn)象。例如，自旋器件的翻轉(zhuǎn)電流大小及其對(duì)稱性無法通過磁單疇旋轉(zhuǎn)或磁疇壁解釘扎等現(xiàn)有理論模型解釋，面內(nèi)磁場(chǎng)通常導(dǎo)致無法理解的垂直磁矩翻轉(zhuǎn)等。為此，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所朱禮軍研究員團(tuán)隊(duì)在Advanced Materials和Applied?Physics?Reviews發(fā)表綜述文章，評(píng)述了自旋電子器件翻轉(zhuǎn)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)和關(guān)鍵科學(xué)問題(Adv. Mater. 2023,?35:?2300853；Appl. Phys. Rev. 2021,?8: 031308)。

為了解密面內(nèi)電流翻轉(zhuǎn)垂直磁矩的深層次物理機(jī)制，朱禮軍團(tuán)隊(duì)圍繞直接參與磁矩翻轉(zhuǎn)的自旋軌道矩效應(yīng)(Spin-orbit torque)和手性交換相互作用DMI效應(yīng)(Dzyaloshinskii-Moriya interaction)開展了持續(xù)科研攻關(guān)。

首先，通過重金屬合金方法巧妙調(diào)控界面電子結(jié)構(gòu)，最早觀測(cè)到了重金屬/鐵磁體系的界面DMI由界面自旋軌道耦合強(qiáng)度和界面軌道雜化共同決定的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)(Communications Physics 2022,?5:?151)，并演示了軌道雜化不變時(shí)界面DMI效應(yīng)隨界面自旋軌道耦合強(qiáng)度的線性依賴關(guān)系(Advanced?Functional?Materials?2019, 29:1805822)。隨后，朱禮軍團(tuán)隊(duì)在組分均勻的磁性單層膜內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了全新的bulk DMI效應(yīng)，為人們理解磁性體系的手性相互作用、拓?fù)浯艑W(xué)和電流翻轉(zhuǎn)等物理現(xiàn)象提供了新的思路(Science China-Physics, Mechanics & Astronomy 2024, 67:?227511)。

最近，朱禮軍團(tuán)隊(duì)通過大量電流翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)研究，提出了長(zhǎng)程Intralayer DMI效應(yīng)(Long-range intralayer Dzyaloshinskii-Moriya interaction)的物理概念，從而解釋了垂直磁矩的自旋軌道矩翻轉(zhuǎn)和磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)的對(duì)稱性破缺、面內(nèi)磁場(chǎng)直接翻轉(zhuǎn)垂直磁矩等長(zhǎng)期懸而未決的自旋物理問題（圖1）。該工作表明，在磁性異質(zhì)結(jié)（如重金屬/鐵磁雙層膜）中存在垂直磁矩會(huì)受到面內(nèi)磁疇（如磁疇壁或弱各向異性區(qū)域）的手性交換相互作用，其相互作用距離可達(dá)幾個(gè)納米；這種長(zhǎng)程手性交換相互作用會(huì)導(dǎo)致垂直磁矩經(jīng)歷一個(gè)垂直有效磁場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生在無垂直外加磁場(chǎng)情況的陡直翻轉(zhuǎn)和自旋軌道矩翻轉(zhuǎn)電流的對(duì)稱性破缺。這種垂直DMI有效磁場(chǎng)隨面內(nèi)磁場(chǎng)和界面DMI常數(shù)變化。利用新發(fā)現(xiàn)的長(zhǎng)程DMI效應(yīng)在單個(gè)自旋軌道矩器件中實(shí)現(xiàn)了可編程的、完整的布爾邏輯運(yùn)算(AND、NOT、OR 、NAND和NOR)（圖2）。該工作解開了自旋電子器件翻轉(zhuǎn)領(lǐng)域的諸多重要謎團(tuán)，有望催生新型存儲(chǔ)器和邏輯器件的設(shè)計(jì)研制。該工作以“Asymmetric magnetization switching and programmable complete Boolean logic enabled by long-range intralayer Dzyaloshinskii-Moriya interaction”為題發(fā)表在Nature Communications 2024,?15：2978 。半導(dǎo)體所朱禮軍研究員為通訊作者，博士后劉前標(biāo)為第一作者，微電子所邢國(guó)忠研究員作為合作者參與了樣品磁疇的磁光顯微成像分析。

相關(guān)工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院和北京市的經(jīng)費(fèi)支持。