close

點擊藍字關注我們

對磁矩的全電學操縱是實現可擴展磁存儲和邏輯器件的前提。對於鐵磁體系，可以藉助自旋轉移力矩實現磁化翻轉；而在反鐵磁體系中，由於其量子干涉的本質，自旋轉移矩的效率大大降低。因此，在近年來興起的反鐵磁自旋電子學領域，對藉助自旋軌道矩 (SOT, spin orbit torque) 實現磁化翻轉的研究成為了熱門。
為了更高效地實現磁化翻轉，尋找SOT效率高的材料成為了一項核心任務。通過改變作為自旋流源的重金屬層的成分、厚度等途徑，目前已經可以實現較高的SOT效率。另一方面，在單一樣品中實現SOT效率的高效調控是可控開關SOT自由度的前提。然而，對於確定的材料體系組成的某個特定器件，其SOT效率幾乎是固定不變的。


圖1 磁相變調控的自旋軌道矩以及磁化翻轉的藝術渲染。在低溫反鐵磁相（左），自旋軌道矩效率更高，對FeRh施加較小的電流即可實現近鄰鐵磁層的無外場輔助的確定性垂直磁化翻轉；而在高溫鐵磁相（右），臨界電流更大，但近鄰鐵磁層無外場輔助的確定性垂直磁化翻轉仍可實現。
具有磁相變的材料提供了解決這一問題的契機。如果SOT效率敏感依賴於磁結構，而不同磁結構之間的磁相變又可以被溫度、磁場等高效調控，就可以實現SOT效率的高效調控。FeRh正是具有這樣的磁相變的理想材料。FeRh在室溫附近具有從低溫反鐵磁相到高溫鐵磁相的一級磁相變，在電阻、比熱等多個物理量上均有所反映，且磁結構的轉變還伴隨着晶格結構、電子結構等多個自由度的共同變化。這使得FeRh的磁相變在基礎和應用相關研究中都受到了廣泛關注。
華東師範大學物理與電子科學學院詹清峰教授、徐楊研究員、商恬研究員團隊利用反常霍爾效應、諧波霍爾電壓、磁光克爾效應等測量手段，系統地研究了FeRh相關異質結在改變溫度跨越磁相變時的SOT效應，實現了SOT效率的高效調控，以及沿z方向有效場導致的近鄰鐵磁層無外場輔助的確定性垂直磁化翻轉。
圖 2 (a, b) 表明，隨着溫度改變導致的FeRh磁相變，異質結中自旋軌道矩的類阻尼有效場HDL和類場有效場HFL發生劇烈改變。由HDL可以得到SOT效率。通過在室溫附近小範圍的溫度變化，即可實現相較於絕大多數體系中高效得多的SOT效率調控。我們詳細分析了SOT效率在不同磁有序相中呈現巨大不同的可能原因。其中最本徵的原因可能來自於自旋軌道耦合導致的自旋貝里曲率的改變，這與相關體系的第一性原理計算和自旋泵浦測量的結論一致。
圖2 (a, b) 隨着溫度改變導致的FeRh磁相變，異質結中自旋軌道矩的類阻尼有效場HDL和類場有效場HFL發生劇烈改變，說明自旋軌道矩效率可以藉助磁相變，通過簡單地改變溫度來高效地調控；(c) 無論FeRh處於低溫反鐵磁和高溫鐵磁態，均可實現近鄰鐵磁層無外場輔助的確定性垂直磁化翻轉；(d) 相反方向的電流引起反常霍爾效應回線向相反方向的偏移，表明存在沿z方向的有效場。
我們進一步利用FeRh層產生的自旋流，在對應於FeRh反鐵磁和鐵磁相的溫區都實現了近鄰鐵磁層(CoFeB) 無外場輔助的確定性的垂直磁化翻轉 [見圖2 (c)]。我們還發現，當電流大於某個臨界電流密度時，相反方向的電流引起反常霍爾效應回線向相反方向的偏移 [見圖2 (d)]，這是存在沿z方向的有效場的典型特徵。正是這一有效場替代面內磁場實現了對稱性破缺，從而實現了垂直磁化的無場翻轉。這個有效場及其對應的具有沿z方向自旋極化的自旋流可能來自於FeRh界面處的自旋進動，或Fe磁矩的面外傾斜。
我們的工作揭示了通過磁相變實現自旋軌道矩的高效調控以及SOT誘導的無外場輔助的確定性垂直磁化翻轉，使得FeRh成為高效的自旋流產生源和理想自旋電子學器件的候選材料。在特定材料中通過控制其磁有序狀態而實現對SOT強度的有效調控這一現象，提供了一種實時打開和關閉「SOT自由度」的方法。通過溫度驅動磁相變並對SOT效率顯著調控的實現提供了一種新的有效策略，即以動態、連續和可逆的方式對SOT器件性能進行有效調控。
該研究成果以「Efficient Tuning of the Spin-orbit Torque via the Magnetic Phase Transition of FeRh」為題發表在雜誌《ACS Nano》。華東師範大學博士生曹翠梅與同濟大學博士生陳是位為共同第一作者，華東師範大學詹清峰教授和徐楊研究員為共同通訊作者。

原文鏈接

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.2c04488

相關進展

清華大學段路明教授Nat. Photonics：發現化學反應中自旋軌道分波的量子干涉現象

北京大學劉運全教授和龔旗煌院士：極端光學團隊在強激光光子的自旋軌道相互作用研究中取得新進展

化學與材料科學原創文章。歡迎個人轉發和分享，刊物或媒體如需轉載，請聯繫郵箱：chen@chemshow.cn

掃二維碼｜關注我們

微信號 :Chem-MSE



誠邀投稿


歡迎專家學者提供化學化工、材料科學與工程產學研方面的稿件至chen@chemshow.cn，並請註明詳細聯繫信息。化學與材料科學®會及時選用推送。

arrow
arrow
    全站熱搜
    創作者介紹
    創作者 鑽石舞台 的頭像
    鑽石舞台

    鑽石舞台

    鑽石舞台 發表在 痞客邦 留言(0) 人氣()