在國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中國(guó)科學(xué)院有關(guān)項(xiàng)目基金的支持下，中科院半導(dǎo)體研究所超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員王開友課題組及其合作者，在室溫?zé)o外加磁場(chǎng)條件下，利用電場(chǎng)-電流的方法成功實(shí)現(xiàn)了垂直鐵磁器件的自旋可控翻轉(zhuǎn)，該工作發(fā)表在國(guó)際期刊《自然-材料》（Nature Materials，DOI:10.1038/nmat4886）上，并申請(qǐng)了相關(guān)國(guó)內(nèi)和國(guó)際專利。此項(xiàng)工作不僅從實(shí)驗(yàn)上演示了電場(chǎng)控制電流誘導(dǎo)自旋的可控定向翻轉(zhuǎn)，并采用微磁學(xué)理論揭示了電場(chǎng)作用導(dǎo)致的可控定向翻轉(zhuǎn)的物理本質(zhì)。這一突破性的成果對(duì)于新型磁隨機(jī)存儲(chǔ)器和磁邏輯的設(shè)計(jì)和發(fā)展開辟了新的發(fā)展思路。

　　經(jīng)典物理中對(duì)于磁性材料中的磁性操控主要都是利用外加磁場(chǎng)，但是由于磁場(chǎng)的彌散特性，導(dǎo)致了這種方法調(diào)控磁性器件的尺寸很難進(jìn)一步減小。在上個(gè)世紀(jì)末，Berger和Slonczewski等人分別提出，自旋極化電流通過非均勻磁化的磁性材料或者磁性隧穿結(jié)，自旋極化電子與局域磁矩發(fā)生相互作用，將其角動(dòng)量轉(zhuǎn)移到局域磁矩，從而可以實(shí)現(xiàn)電流驅(qū)動(dòng)磁疇壁運(yùn)動(dòng)，也可以實(shí)現(xiàn)磁性隧道結(jié)和自旋閥中自由層磁矩進(jìn)動(dòng)或翻轉(zhuǎn)，這就是所謂的自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)，這種原理是當(dāng)前產(chǎn)業(yè)界研制新一代磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）的基礎(chǔ)，需要比較大的電流直接流過磁性材料及異質(zhì)結(jié)，對(duì)器件的穩(wěn)定性帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

　　當(dāng)電流通過具有強(qiáng)自旋軌道耦合的非磁性材料（如重金屬Pt，Ta和半導(dǎo)體GaAs等）時(shí)，自旋向上和向下的電子由于受到自旋軌道相互作用，分別在界面的兩側(cè)積累，這也被稱為自旋霍爾效應(yīng)(spin Hall effect, SHE)。研究人員在前期的工作中演示了生長(zhǎng)于Si/SiO2襯底上的Pt/CoNiCo/Pt體系，利用自旋霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的純自旋流成功實(shí)現(xiàn)了自旋的翻轉(zhuǎn)，它的優(yōu)勢(shì)在于不需要電流直接流過器件的磁性層，對(duì)提高器件的穩(wěn)定性有重要意義。但是，垂直各向異性的CoNiCo磁性層，其向下和向上的磁能是等價(jià)的，所以，僅在純自旋流的作用下，體系不能實(shí)現(xiàn)定向翻轉(zhuǎn)，需要施加沿著面內(nèi)電流方向的磁場(chǎng)才能導(dǎo)致定向翻轉(zhuǎn)，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用是非常不利的。

　　基于此，研究的目標(biāo)轉(zhuǎn)向?qū)ふ沂覝責(zé)o外加磁場(chǎng)條件下，用純電學(xué)方法實(shí)現(xiàn)自旋翻轉(zhuǎn)的可控操作。雖然目前已有相關(guān)方面工作的報(bào)道，但是都不能實(shí)現(xiàn)自旋翻轉(zhuǎn)的完全可控。該工作中，研究人員在鐵電襯底PMN-PT上生長(zhǎng)同樣的Pt/CoNiCo/Pt結(jié)構(gòu)，并制備成霍爾器件。在排除壓電效應(yīng)的基礎(chǔ)上，他們發(fā)現(xiàn)沿著面內(nèi)電流方向施加的外加磁場(chǎng)，可以有效地調(diào)控器件自旋的定向翻轉(zhuǎn)，表現(xiàn)出與Si/SiO2襯底上器件一致的特性（見圖1）。

　　有意思的是，在無外加磁場(chǎng)條件下，將PMN-PT襯底沿著電流方向極化，撤去電壓后研究電流誘導(dǎo)磁化翻轉(zhuǎn)，如圖2所示，發(fā)現(xiàn)外加于PMN-PT的正/負(fù)電場(chǎng)可以與面內(nèi)沿電流方向正/負(fù)磁場(chǎng)產(chǎn)生同樣的效果，即可以實(shí)現(xiàn)電流誘導(dǎo)自旋的可控定向翻轉(zhuǎn)。研究人員還演示了電壓調(diào)控下，脈沖電流驅(qū)動(dòng)器件中自旋定向翻轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

　　它的物理起源為：由于剩余的鐵電極化，絕緣體PMN-PT的表面電場(chǎng)梯度與器件中的電場(chǎng)梯度不一致，從而產(chǎn)生了一個(gè)沿電流方向的垂直電場(chǎng)梯度。此垂直電場(chǎng)可以有效地偏轉(zhuǎn)PMN-PT襯底近鄰Pt層的自旋極化狀態(tài)，大垂直電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致更強(qiáng)的自旋偏轉(zhuǎn)。因此，在電流誘導(dǎo)自旋翻轉(zhuǎn)的過程中，下層Pt中的自旋流是由自旋霍爾效應(yīng)和垂直電場(chǎng)產(chǎn)生的自旋流的疊加，它存在一個(gè)沿著電流方向的自旋流密度梯度。研究人員首次將自旋流密度梯度項(xiàng)產(chǎn)生的力矩引入到LLG方程中，用微磁學(xué)理論計(jì)算驗(yàn)證得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。此工作的開展為無外場(chǎng)下電學(xué)方法對(duì)自旋定向翻轉(zhuǎn)的可控操作提供了更加深刻的物理認(rèn)識(shí)。

　　該論文的第一作者為博士生蔡凱明和助理研究員楊美音，通訊作者為王開友，合作者包括北京工商大學(xué)教授李寶河課題組、北京微電子所博士王素梅、英國(guó)諾丁漢大學(xué)博士Kevin William Edmonds、中科院半導(dǎo)體所研究員姬揚(yáng)及中科院院士鄭厚植。

　　然而，這種器件構(gòu)型目前還處于基礎(chǔ)研究的階段，距離實(shí)際應(yīng)用尚有很多問題亟待解決，具體包括電場(chǎng)強(qiáng)度和電流密度過大，而且器件尺寸也太大。實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性的、高密度低能耗的純電控自旋器件，是其走向應(yīng)用的關(guān)鍵。該課題組也在這方面進(jìn)行了努力，在室溫下零磁場(chǎng)下，利用壓電效應(yīng)，單純用電壓實(shí)現(xiàn)了Heusler合金Co2FeAl器件面內(nèi)磁化90度的翻轉(zhuǎn)，伴隨而來的是器件的平面霍爾電壓發(fā)生變號(hào)，并基于壓電調(diào)控的平面霍爾效應(yīng)器件，演示了NOT和NOR的簡(jiǎn)單邏輯功能，這可以大大降低器件的能耗。

　　文章鏈接

圖1 沿電流方向磁場(chǎng)對(duì)電流誘導(dǎo)磁化翻轉(zhuǎn)的可控操作

圖2 電壓調(diào)控磁化定向翻轉(zhuǎn)和脈沖電流作用下的響應(yīng)

圖3 垂直電場(chǎng)梯度、自旋電流密度梯度及力矩示意圖