自旋電子器件被認為是后摩爾時代存儲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，科學(xué)家無法定量甚至定性地剖析面內(nèi)電流翻轉(zhuǎn)垂直磁矩的物理現(xiàn)象。

為了探討面內(nèi)電流翻轉(zhuǎn)垂直磁矩的深層次物理機制，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所朱禮軍團隊圍繞直接參與磁矩翻轉(zhuǎn)的自旋軌道矩效應(yīng)和手性交換相互作用（DMI）開展研究。該團隊運用重金屬合金方法調(diào)控界面電子結(jié)構(gòu)，觀測到重金屬/鐵磁體系的界面DMI由界面自旋軌道耦合強度和界面軌道雜化共同決定的直接實驗證據(jù)，并演示了軌道雜化不變時界面DMI效應(yīng)隨界面自旋軌道耦合強度的線性依賴關(guān)系。進一步，該團隊在組分均勻的磁性單層膜內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了全新的體DMI，為研究磁性體系的手性相互作用、拓撲磁學(xué)和電流翻轉(zhuǎn)等物理現(xiàn)象提供了新思路。

近日，朱禮軍團隊通過大量電流翻轉(zhuǎn)實驗研究，提出了長程層內(nèi)DMI的物理概念，解釋了垂直磁矩的自旋軌道矩翻轉(zhuǎn)和磁場翻轉(zhuǎn)的對稱性破缺、面內(nèi)磁場直接翻轉(zhuǎn)垂直磁矩等自旋物理問題。研究表明，磁性異質(zhì)結(jié)存在垂直磁矩并受到面內(nèi)磁疇的手性交換相互作用的影響，其相互作用距離可達幾個納米；長程手性交換相互作用導(dǎo)致垂直磁矩經(jīng)歷垂直有效磁場，進而產(chǎn)生在無垂直外加磁場情況的陡直翻轉(zhuǎn)和自旋軌道矩翻轉(zhuǎn)電流的對稱性破缺。這種垂直DMI有效磁場隨面內(nèi)磁場和界面DMI常數(shù)變化。該團隊利用長程DMI效應(yīng)在單個自旋軌道矩器件中實現(xiàn)了可編程的、完整的布爾邏輯運算。

上述研究解開了自旋電子器件翻轉(zhuǎn)領(lǐng)域的較多謎團，有望促進新型存儲器和邏輯器件的設(shè)計研制。相關(guān)研究成果以Asymmetric magnetization switching and programmable complete Boolean logic enabled by long-range intralayer Dzyaloshinskii-Moriya interaction為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院和北京市的支持。