吳闖文，崔寶山，朱增泰，張廣宇， 于國強，梁世恒，王 浩

(1．湖北大學物理與電子科學學院，湖北 武漢 430062) (2．松山湖材料實驗室，廣東 東莞 523808) (3．中國科學院物理研究所，北京 100190)

1 前 言

自旋電子學作為一門新興的學科，將電子電荷與自旋兩種屬性緊密地聯系在了一起，其相關應用更是備受關注，如磁讀頭、磁隨機存取存儲器(magnetic random access memory，MRAM)、自旋納米振蕩器和自旋邏輯器件等。20世紀末，巨磁電阻(giant magnetoresistance，GMR)效應和隧穿磁電阻(tunneling magnetoresistance，TMR)效應的發(fā)現加強了人們對自旋電子學領域重要性的認同，促進了數據存儲技術的大力發(fā)展[1-3]。1996年，自旋轉移矩(spin transfer torque，STT)效應被首次提出，并在不久之后于巨磁電阻器件中得到驗證，證明了自旋極化電流可將角動量轉移到局域磁矩上，從而實現磁矩有效磁化翻轉[4, 5]。此后，基于自旋轉移矩效應的磁隨機存取存儲器(STT-MRAM)應運而生[6]。在此期間，形成了以磁隨機存取存儲器為核心結構的、具有面內磁各向異性(in-plane magnetic anisotropy，IMA)的磁隧道結(magnetic tunnel junctions，MTJs)。為了進一步提高器件的存儲密度，科學家們又開發(fā)了以具有垂直磁各向異性(perpendicular magnetic anisotropy，PMA)的磁隧道結為核心的磁隨機存取存儲器，即p-STT-MRAM[7-9]，如圖1a所示。然而，p-STT-MRAM在數據的讀寫過程中共用了同一路徑，嚴重影響了p-STT-MRAM的使用壽命。此外，由于電流與自旋極化電流的轉化效率較低，導致磁矩翻轉所需的電流密度較大，從而使基于p-STT-MRAM的器件的功耗較高[10]。為了解決上述問題，科學家們又提出了基于自旋軌道矩(spin-orbit torque，SOT)的SOT-MRAM，如圖1b所示[11]。SOT-MRAM的寫入端是一層具有強自旋軌道耦合(spin-orbit coupling，SOC)的重金屬層，其較強的自旋軌道耦合作用可以將電流轉換為自旋流并注入到磁隧道結的自由層，自旋流與磁矩相互作用發(fā)生角動量的轉移，并以力矩的形式表現出來，該力矩被稱為SOT[12-14]。當SOT足夠強時，就可以實現磁矩的180°翻轉，從而實現信息的寫入。相比于STT-MRAM的兩端式讀寫結構，SOT-MRAM采用的是三端式讀寫結構，其寫入路徑和讀取路徑相互獨立，大大提高了器件的穩(wěn)定性[15]。此外，還可以分別對寫入路徑和讀取路徑進行單獨優(yōu)化，從而實現體積更小、速度更快、密度更高、功耗更低、穩(wěn)定性更高的數據存儲[14-16]。

圖1 基于自旋轉移矩效應(a)和自旋軌道矩效應(b)的磁隨機存取存儲器器件示意圖[11]Fig.1 Schematic diagram of magnetic random access memory based on spin transfer torque effect (a) and spin-orbit torque effect (b)[11]

2 自旋軌道矩的產生原理

提到SOT，就不得不提與其相關的兩種物理機制，即自旋霍爾效應(spin Hall effect，SHE)和界面Rashba-Edelstein效應[17, 18]。這2個效應是在具有強自旋軌道耦合材料或材料界面產生自旋積累，然后自旋流擴散到鐵磁材料(ferromagnetic material,FM)層中將自旋角動量轉移到鐵磁材料的磁矩上，并對磁矩施加一個自旋力矩的作用。

2.1 自旋霍爾效應

SHE是基于自旋軌道耦合效應產生的一個體效應，可描述為非極化的電荷流轉化為自旋流的過程，表示為：

Js=θSH(σ×Jc)

(1.1)

其中，Js表示自旋流，Jc表示電荷流，σ表示電子自旋的極化方向，θSH表示自旋霍爾角(spin Hall angle, SHA)的大小[19, 20]。通常θSH=Js/Jc，該參數代表了自旋流-電荷流的轉換效率。當在具有強自旋軌道耦合的材料中通入沿x軸正方向的電流時，由于強自旋軌道耦合作用，對于θSH>0的材料，σ在y軸正方向的電子會沿著z軸正方向移動；而對于θSH<0的材料，σ在y軸負方向的電子會沿著z軸正方向移動，均形成自旋極化的電流Js，如圖2a所示。

圖2 自旋霍爾效應(a)和界面Rashba-Edelstein效應(b)示意圖Fig.2 Schematic diagram of spin Hall effect (a) and interfacial Rashba-Edelstein effect (b)

2.2 Rashba-Edelstein效應

實現電流-自旋流轉換的另一個物理機制是Rashba-Edelstein效應。與SHE不同的是，Rashba-Edelstein效應是界面電流誘導的自旋積累的過程，該效應來自于界面結構的反演對稱性破缺。如圖2b所示，在具有強自旋軌道耦合的非磁性材料(nonmagnetic material，NM)層和磁性材料層的界面處產生一個垂直于薄膜表面的內部電場(E)，具有動量(P)的傳導電子在電場的作用下會向著界面移動，并與E×P方向的有效磁場相互作用，最終在界面處使電子極化并且產生自旋積累。在自旋極化和電子動量之間存在一個固定的關系，被稱為自旋-動量鎖定。最早的Rashba-Edelstein效應是在反演對稱性破缺的半導體和二維電子氣中提出來的，隨后逐漸擴展到NM/FM異質結中。在具有Rashba耦合的磁性異質結中，Rashba效應誘導產生的自旋電流也可以用于磁化翻轉。

3 自旋軌道矩驅動垂直磁矩翻轉和定量分析

基于SOT的磁矩翻轉在超低功耗存儲器和邏輯器件中具有廣闊的應用前景。通過SHE可以產生足夠強的SOT，從而有效地翻轉垂直磁矩，與基于傳統的自旋轉移矩的磁矩翻轉相比，基于SOT的磁矩翻轉可以提高內存和邏輯器件的可靠性，并且SOT也可用于重金屬/鐵磁體雙層膜中磁疇壁的動力學調控。

3.1 自旋軌道矩驅動垂直磁矩翻轉

2011年，Miron等[12]首次在具有垂直磁各向異性的非對稱結構Pt/Co/AlOx中發(fā)現了電流驅動的磁矩翻轉，并觀察到由此導致的疇壁移動效應。2012年，Liu等[13]在研究垂直磁各向異性的Ta/CoFeB/MgO多層膜時(圖3a)，利用面內磁場的輔助實現了SOT誘導的磁矩翻轉(圖3b)。這是因為電流通過具有較強的自旋軌道耦合的重金屬Ta層時，SHE將電荷流轉換為自旋流并注入到毗鄰的鐵磁層中，并發(fā)生角動量的轉移，從而驅動磁矩翻轉。另外，如圖3c所示，他們設計了一個相關的三端式磁隧道結器件，實現了磁電阻的讀取(圖3d)。這一發(fā)現不僅促進了新一代磁隧道結器件的發(fā)展，也大大激起了科研工作者研究SHE及其誘導的垂直磁化翻轉的興趣。

圖3 Ta/CoFeB/MgO異質結的反?；魻柷€(a)，在不同面內場輔助下的電流驅動的磁矩翻轉(b)；三端式基于自旋軌道矩的磁隧道結器件的原理圖與測試電路(c)，三端式磁隧道結器件的隧穿磁電阻效應隨電流的變化關系(d)[13]Fig.3 The anomalous Hall loop of Ta/CoFeB/MgO heterostructure (a), external in-plane magnetic fields assisted current-driven magnetization switching (b); schematic of three-terminal magnetic tunnel junctions device and its measurement configuration (c), the relationship between the tunneling magnetoresistance effect of the three-terminal magnetic tunnel junctions device and the direct current (d)[13]

3.2 自旋軌道矩定量分析

2013年，Garello等[21]分析了AlOx/Co/Pt異質結中的自旋軌道耦合的方向與各分量的大小。如圖4所示，在具有強自旋軌道耦合作用的重金屬Pt中通入面內電流時，會誘導產生與電流方向平行和垂直的自旋積累：δm∥≈(z×j)×m和δm⊥≈(z×j)，其中j和m分別表示電流密度和磁化強度矢量。由于s電子和d電子的交換作用，兩個方向的自旋積累會產生兩個有效場：類阻尼(damping-like)有效場(B∥≈δm∥，如圖4所示的藍色箭頭)和類場(field-like)有效場(B⊥≈δm⊥，如圖4所示的紅色箭頭)；或者可以表示成相應的SOT分量：類場力矩(field-like torque，T∥≈m×δm∥，如圖4所示的藍色箭頭)和類阻尼力矩(damping-like torque，T⊥≈m×δm⊥，如圖4所示的紅色箭頭)。當鐵磁層的磁矩方向沿不同方向時，SOT的分量可按上述方法判斷。

4 零場自旋軌道矩翻轉

SOT驅動垂直磁矩翻轉通常需要在平行于電流的方向上施加一個面內輔助磁場來打破垂直體系的對稱性。對于實際應用而言，這不僅增加了額外的功耗，還使得設計電路更加復雜，顯然不利于SOT的實際應用。因此，實現零場下SOT驅動垂直磁矩翻轉顯得至關重要。

4.1 結構對稱性破缺

圖4 在電流的作用下，AlOx/Co/Pt中不同方向的磁矩對應的自旋軌道矩[21]Fig.4 Current-induced spin-orbit torques with the magnetic moments in different directions in the AlOx/Co/Pt[21]

圖5 Ta/CoFeB/TaOx(楔形)的結構示意圖(a)和Ta/CoFeB/TaOx(楔形)霍爾耙器件示意圖(b)；在零場下，電流驅動磁矩翻回線：氧化前Ta的厚度為1.67 nm(c)和1.94 nm(d)[22]；具有磁各向異性的楔形CoFeB納米結構(e)；由于楔形結構，CoFeB層的易軸方向相對于z軸略微傾斜(f)[23]Fig.5 Schematic diagram of Ta/CoFeB/TaOx (wedge) structure (a) and Ta/CoFeB/TaOx (wedge) Hall bar device (b); field-free SOT switching loops of perpendicular magnetization: the thickness of Ta before oxidation is 1.67 nm (c) and 1.94 nm (d)[22]; the patterned wedge-shaped CoFeB nanomagnet structure magnetic anisotropy (e); due to the wedge-shaped structure, the directions of the easy axis of the CoFeB layer are slightly inclined with respect to the z-axis(f)[23]

二維材料由于具有強自旋軌道耦合和電導率可調等優(yōu)點，近年來受到了科研工作者們的廣泛關注。2016年，MacNeill等[26]采用自旋力矩鐵磁共振(spin-torque ferromagneti resonance, ST-FMR)技術研究了WTe2/Py異質結中的SOT，不僅發(fā)現了傳統的SOT的field-like力矩和damping-like力矩，還發(fā)現了非傳統面外的SOT。由于傳統的SOT的field-like力矩和damping-like力矩都位于面內，因此傳統的SOT只能將磁矩翻轉到面內方向。而非傳統的面外的SOT能夠在無外加輔助場下翻轉垂直方向的磁矩。因此，非傳統面外SOT的發(fā)現提供了一種有效操縱垂直磁各向異性磁器件的新策略。Liang等[27]在MoTe2/Py異質結中沒有發(fā)現非傳統的面外的SOT，揭示了面外SOT起源的復雜性，但是他們發(fā)現Py層的磁化方向與MoTe2的自旋極化方向相同，因此得出結論，該結構能夠在室溫、沒有外部磁場下進行SOT驅動Py層的磁矩翻轉。他們進一步發(fā)現該體系的臨界翻轉電流密度比傳統SOT誘導的低一個數量級，并且該體系的SOT的效率約為0.35，比傳統重金屬體系Pt和Ta的都要大很多。這些發(fā)現為二維材料應用于SOT誘導磁矩翻轉提供了廣闊的前景。

4.2 交換偏置場和層間耦合作用

2014年，Chen等[28]通過第一性原理計算的方法在具有非共線結構的反鐵磁Mn3Ir中發(fā)現了較大的反?；魻栯妼?，這意味著Mn3Ir具有一定的自旋軌道耦合。隨后，Zhang等[29]首次在實驗中測量了具有反鐵磁性的FeMn、IrMn和PtMn的自旋霍爾角。而對于反鐵磁材料來說，它能夠對其相鄰的磁性層產生交換偏置效應，這相當于在體系中引入了一個有效磁場，而通過適當的磁場退火處理，可以使反鐵磁的交換偏置場產生特定取向，因此可以用來代替外加輔助場打破樣品的對稱性，實現零場下SOT驅動的磁矩翻轉。Brink等[30]設計了一個具有垂直磁各向異性的鐵磁層與反鐵磁材料的雙層膜結構，通過反鐵磁層引入的交換偏置場來代替面內輔助場，使該結構實現了零場下基于SOT的磁矩翻轉。如圖6a和6b所示，他們采用具有垂直磁各向異性的Ta/Pt/Co/Pt/IrMn/TaOx材料的材料體系，利用磁場退火的方法，使反鐵磁IrMn中的交換偏置場沿著面內方向，該實驗證明了單純利用電流引起的SOT來驅動磁矩翻轉的可行性。與此同時，Oh等[31]在IrMn/CoFeB結構中證明了反鐵磁層IrMn不僅能夠提供平面內交換偏置，使鐵磁層CoFeB的垂直磁矩有面內的分量，而且還能產生自旋流，對鐵磁層CoFeB的磁矩施加力矩的作用，實現無輔助場下的垂直磁矩翻轉(圖6c)。在PtMn/[Co/Ni]n雙層體系中，Fukami等[32]發(fā)現反鐵磁層PtMn不僅能夠提供交換偏置場，還表現出與重金屬Pt和Ta相近的自旋霍爾角。在這兩種效應的共同作用下，使得該雙層膜體系可在零場下SOT驅動磁矩翻轉。Chen等[33]設計了CoFeB/Gd/CoFeB的異質結，通過CoFeB層與Gd層的反鐵磁耦合，得到了飽和磁化強度(Ms=(370±20) emu/cc)較小的體系，并且在使用反鐵磁材料PtMn作為自旋源層時，該體系在無外磁場輔助的作用下能實現SOT驅動的磁矩翻轉，其臨界翻轉電流密度為9.6×106A/cm2。最近，Chen等[34]證明了共線反鐵磁Mn2Au能夠產生反鐵磁自旋霍爾效應(antiferromagnetism spin Hall effect，AFM-SHE)，得到了非傳統的面外的自旋極化。平面外的自旋極化很大程度上取決于Mn2Au的自旋構型，因而通過調控共線反鐵磁Mn2Au的自旋構型，即可實現零場下SOT驅動垂直磁矩翻轉。

除了通過反鐵磁材料和鐵磁材料之間的直接接觸引入交換偏置場外，還可以利用兩個鐵磁層之間的層間耦合來引入交換偏置場。用間隔層，例如Ru和Ta，分離具有垂直磁矩的鐵磁層和面內磁矩的鐵磁層，層間交換耦合效應可以為垂直磁化層提供面內層間耦合場，從而實現零場下SOT驅動的磁化翻轉[35]。2016年，Lau等[36]提出一個如圖6d所示的結構，該結構具有兩層鐵磁CoFe層，其中頂層CoFe層具有面內磁各向異性，底層CoFe層具有垂直磁各向異性。具有垂直磁各向異性的CoFe層與通過SHE提供自旋電流的底層Pt層相鄰，而具有面內磁各向異性的CoFe層中的磁矩被IrMn層提供的交換偏置場固定在面內方向。兩CoFe層之間的Ru層促進了層間耦合作用，且具有面內磁各向異性的CoFe層通過Ru層在具有垂直磁各向異性的CoFe層上施加面內的有效場，從而使該層具有零場下SOT驅動磁化翻轉的能力。隨后，2019年，Kong等[37]設計了一種新型T型結構的MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO的異質結，具有面內磁各向異性的CoFeB和具有垂直磁各向異性的CoFeB通過Ta耦合在一起，具有面內磁各向異性的CoFeB通過Ta層的層間耦合作用于具有垂直磁各向異性的CoFeB層，使其易軸方向偏離垂直方向，從而實現零場翻轉。Ma等[38]在具有T型結構的磁性3層膜異質結中，發(fā)現面內磁各向異性的鐵磁層可以通過SOT對具有垂直磁各向異性的鐵磁層產生z軸方向的有效場，且該有效場的方向與面內磁各向異性的鐵磁層的磁矩方向相關，因此得到該體系零場翻轉的極性與面內磁各向異性的鐵磁層的磁矩相關，根據不同的面內場的退場方向，可以得到不同的零場翻轉極性。2021年，Xie等[39]通過在垂直方向上設置PtCo的成分梯度(圖7)，使具有垂直磁各向異性的磁性層PtCo在垂直方向上具有梯度Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用，從而能夠更好地實現SOT驅動翻轉；隨后通過IrMn/Co/Ru提供交換偏置場和反鐵磁耦合，實現該體系在零場下的SOT驅動磁矩翻轉。2021年，Chen等[40]設計了完全補償的人工合成反鐵磁(synthetic antiferromagnetism，SAF)的楔形結構，當磁疇壁的能量項與DM界面的相互作用的能量項接近時，疇壁會出現Bloch型和Néel型兩種結構。對于Néel型疇壁(↑→↓)，當通入橫向電流時，疇壁會向左或者向右運動；而對于Bloch型疇壁(↑⊙↓)，當通入橫向電流時，疇壁不會向左或者向右運動，進而被向左或者向右運動的Néel型疇壁所吞噬，實現整個區(qū)域疇壁的翻轉，達到零場翻轉。Wei等[41]在具有垂直磁各向異性的人工合成反鐵磁(PMA-SAF)和面內磁各向異性的人工合成反鐵磁(IMA-SAF)的多層膜中，實現了零場的SOT驅動垂直磁矩翻轉。這項工作促進了SOT的零場翻轉，并為SOT-MRAM或自旋邏輯器件的應用鋪平了道路。

圖6 Ta/Pt/Co/Pt/IrMn/TaOx材料結構示意圖(a)，Ta/Pt/Co/Pt/IrMn/TaOx材料構成器件的霍爾器件示意圖(b)[30]；IrMn/CoFeB結構示意圖和反鐵磁層IrMn中自旋霍爾效應的原理圖(c)[31]；T型結構：底層CoFe層磁矩在垂直方向，而頂層CoFe層磁矩在平面內，通過Ru層的層間交換耦合提供有效場，而較厚的Pt層為垂直CoFe層提供自旋電流(d)[36]Fig.6 Schematic diagram of Ta/Pt/Co/Pt/IrMn/TaOx structure (a) and correlated Hall device (b)[30]; schematic diagram of the IrMn/CoFeB structure and the principle diagram of the spin Hall effect produced by the antiferromagnetic layer IrMn (c)[31]; T-type structure: the bottom CoFe layer has perpendicular magnetic anisotropy, while the top CoFe layer has in-plane magnetic anisotropy, the effective field is provided by the exchange coupling between the Ru layers, while the thicker Pt layer provides spin current to the perpendicular CoFe layer (d)[36]

圖7 Ru/IrMn/Co/Ru/CoPt/MgO異質結的元素映射圖(a)；Ru/IrMn/Co/Ru/CoPt/MgO異質結的高角環(huán)形暗場像，插圖顯示了圖7a中用白色箭頭標記的X射線能譜結果的線掃描(b)[39]Fig.7 Element mapping of Ru/IrMn/Co/Ru/CoPt/MgO heterostructure (a); the high angel annular dark-field imaging of the Ru/IrMn/Co/Ru/CoPt/MgO heterostructure, inset shows a line scanning of the energy dispersive spectroscopy results marked with white arrow inFig.7a (b)[39]

4.3 電場調控打破面內對稱性

2017年，Cai等[42]在鐵電襯底PMN-PT上生長了重金屬層和鐵磁層，如圖8所示。通過在PMN-PT襯底上通入電壓，產生的電勢Ep在x方向上存在梯度，在不同的電勢Ep下，重金屬與磁性層界面的自旋積累的自旋流密度不一樣大，因此鐵磁層在x方向上存在一個面內磁各向異性的梯度，打破了該體系對稱性，從而實現了零場下的SOT驅動的磁矩翻轉。

圖8 電學測量裝置示意圖(a)；重金屬Pt產生自旋流示意圖(b)；在PMN-PT上施加電壓，重金屬Pt上產生的電勢Ep>0(c)和Ep<0(e)；由于垂直電場的自旋軌道耦合，在Pt/PMN-PT界面上的自旋分布(d)；當Ep>0(f)和Ep<0(g)，由于自旋霍爾效應、自旋軌道耦合以及兩者的疊加導致的CoNiCo磁體的自旋軌道矩[42]Fig.8 Schematic diagram of the electrical measurement setup (a); schematic diagram of the spin current produced by heavy metal Pt (b); voltage applied to PMN-PT, the potential Ep>0 (c) and Ep<0 (e) on heavy metal Pt; the spin distribution of Pt/PMN-Pt interface due to spin-orbit coupling under vertical electric field (d); Ep>0 (f) and Ep<0 (g), the spin-orbit torque of the CoNiCo magnet due to the spin Hall effect, the spin-orbit coupling and superposition[42]

4.4 插入層在零場翻轉中的作用

2018年，Ma等[43]設計了由兩種自旋霍爾角符號相反的重金屬作為自旋源層的多層膜Pt/W/CoFeB/MgO異質結，如圖9a所示，該結構的兩層重金屬層Pt和W能夠提供極化方向相反的自旋流。這樣的結構并沒有因為兩種符號相反的自旋霍爾角而抵消自旋電流和相關的SOT，而是產生一個正比于電流密度的有效場，該有效場的方向是垂直于膜面的，這會導致up-down和down-up的磁疇壁沿著電流方向不對稱運動，從而能夠在足夠大的電流密度下實現無任何輔助場的垂直磁矩翻轉(圖9b和9c)。如圖9d所示，磁光克爾顯微鏡磁疇成像技術揭示了電流作用下的up-down和down-up的磁疇壁不對稱運動。隨后，他們在Pt/W/CoFeB/MgO和Pt/Ta/CoFeB/MgO異質結中觀察到零場下的SOT驅動磁矩翻轉，但是在Ta/W/CoFeB/MgO中并不能觀察到零場翻轉，說明了在該體系中通入電流時，只有產生一個正比于電流密度且垂直膜面的有效場，才能實現零場翻轉。接著，他們在能夠實現零場翻轉的Pt/W/CoFeB/MgO異質結的Pt/W之間插入一層很薄的Au，發(fā)現該結構在電流作用下的SOT驅動的磁矩翻轉需要外加輔助場。隨后，他們在Pt/W/CoFeB/MgO異質結消除電流產生的奧斯特場影響下，依舊能夠得到該體系的零場翻轉。該結果能夠很好地證明兩種自旋霍爾角符號相反的重金屬層作為自旋源的體系可以產生一個垂直于膜面的有效場，當電流通過時能夠實現零場翻轉。

圖9 Pt/W/CoFeB/MgO結構中，重金屬層Pt和W產生自旋競爭積累過程(a)；在±7 mA下測得的反?；魻柣鼐€(b)；無外加磁場下，電流驅動磁矩翻轉(c)；零場下電流驅動磁矩翻轉的磁光克爾顯微鏡照片(d)[43]Fig.9 Schematic of spin competition and accumulation processes between Pt and W in the Pt/W/CoFeB/MgO structure (a); anomalous Hall loops measured at ±7 mA (b); field-free magnetization switching loop (c); magnetic-optical Kerr microscope images of the field-free switching (d)[43]

4.5 傾斜的易軸方向

2019年，Liu等[44]在SrTiO3(STO)襯底上生長了SrIrO3/SrRuO3雙分子層，如圖10a所示，通過控制鐵磁層的易軸方向沿著面外方向傾斜(圖10b)，實現了零場翻轉。隨后在2020年，Cao等[45]在Pt/Co/Pt異質結中，對其局部進行激光輻照處理，輻照區(qū)域的鐵磁層Co會向Pt/Co/Pt異質結的表面擴散，因此在Pt/Co/Pt異質結的表面形成Pt的濃度梯度，使鐵磁層Co在輻照區(qū)域與未輻照區(qū)域產生垂直磁各向異性的梯度，打破了平面內的對稱性。當通過電流時，會在其垂直于膜面的方向產生一個垂直方向的有效磁場，實現了零磁場下的垂直磁矩翻轉。

4.6 亞鐵磁材料中的零場翻轉

2021年，Zheng等[46]通過在Al上生長一些具有成分梯度的亞鐵磁CoxTb1-x結構，使該鐵磁層在垂直方向存在梯度的各向異性與飽和磁矩強度，從而打破其對稱性，實現零場的SOT驅動磁矩翻轉。2021年，Wu等[47]在亞鐵磁GdFeCo結構中，通過將其磁性層在垂直膜面的z方向以及面內的y方向上產生梯度的各向異性和飽和磁化強度，從而打破其對稱性，實現零場翻轉(圖11)。

圖10 SrIrO3/SrRuO3雙分子層中電流誘導磁矩翻轉的設置示意圖，其中EA表示該體系的易軸方向(a)；兩種SOT翻轉行為的示意圖，上圖中，在沒有任何外部磁場的情況下，易軸(θEA≠0)偏離z方向，下圖中，施加一個y方向的輔助場來切換x方向的傾斜磁化(b)[44]Fig.10 Schematic diagram of the setup of the current-induced magnetization switching in the SrIrO3/SrRuO3 bilayer, in which the EA represents the easy axis direction of the system (a); schematic diagram of two SOT switching behaviors, in the above figure, in the absence of an external magnetic field, the easy axis(θEA≠0) deviates from the z direction, in the below figure, an auxiliary field in the y direction is applied to switch the tilt magnetization in the x direction (b)[44]

圖11 亞鐵磁GdFeCo在面內的y方向上存在梯度的飽和磁化強度(a)和各向異性(b)，亞鐵磁GdFeCo在垂直于膜面的z方向上存在梯度的飽和磁化強度(c)和各向異性(d)[47]Fig.11 The magnetization gradient (a) and anisotropy gradient (b) in the y direction of the ferrimagnetic GdFeCo， the saturation magnetization of gradient (c) and anisotropy gradient (d) in the z direction of the ferrimagnetic GdFeCo[47]

5 結 語

隨著對自旋電子學(特別是基于自旋軌道矩的磁隨機存取存儲器(SOT-MRAM)的“寫入”操作)的深入研究，無外磁場輔助的SOT-MRAM成為了當前熱門研究方向之一。本文總結了自旋軌道矩驅動磁矩翻轉方面的部分研究進展，重點介紹了在零場下的自旋軌道矩驅動磁矩翻轉。目前主要的幾種零場下自旋軌道矩驅動磁矩翻轉的方法包括：通過設計破壞其結構的對稱性產生一個面外方向的有效場；具有反鐵磁或者界面耦合提供交換偏置場的堆棧；自旋軌道矩與自旋轉移矩的相互作用；面內磁各向異性-鐵磁層(IMA-FM)/非鐵磁材料(NM)/垂直磁各向異性-鐵磁層(PMA-FM)的結構設計；通過電場誘導產生有效場和一些特定的低對稱性的半金屬；以及在一些亞鐵磁材料中，通過設計組分、磁各向異性的梯度，使亞鐵磁層在面內或者垂直于膜面方向存在梯度的各向異性和飽和磁化強度，從而打破亞鐵磁層的對稱性實現零場翻轉。