北京科技大學徐曉光\姜勇&香港理工大學楊明合作發表Nat. Commun. ：利用反鐵磁絕緣體/重金屬界面誘導的面外極化自旋流實現零場下的磁化翻轉

背景介紹

隨著大數據和人工智能時代的到來，信息存儲和處理器面臨著日益嚴峻的挑戰。高密度、低功耗、長壽命的新型存儲和邏輯器件成為當前自旋電子學領域的研究重點課題。然而，傳統的磁電子器件需要外磁場來操控自旋，這嚴重制約著器件的密度、能耗和穩定性。自旋軌道矩（SOT）效應的發現為電流操控自旋提供了一個有效的解決途徑，因此，近年來科研工作者致力于發展零磁場下操縱自旋極化方向的純電學解決方案。例如：引入交換偏置場代替外磁場輔助翻轉；利用兩種自旋霍爾角相反的重金屬產生的競爭自旋流實現無外磁場翻轉；產生面外方向自旋極化自旋流實現無外磁場翻轉。然而這些方案所需的反鐵磁金屬層不可避免地存在分流作用，從而嚴重影響了器件的能效。可見，如何在高效利用操控電流的同時實現零場磁矩翻轉是自旋電子領域亟待解決的難題。

成果簡介

北京科技大學材料科學與工程學院徐曉光教授、姜勇教授團隊與香港理工大學應用物理系楊明博士等合作者聯合報道了一種利用反鐵磁絕緣體/重金屬界面誘導面外極化自旋流的新機制，并基于該機制實現了零場下的磁矩翻轉。

團隊利用脈沖激光沉積的方法分別在MgO和STO襯底上外延生長了反鐵磁絕緣體NiO薄膜，繼而在有/無NiO薄膜的襯底上沉積具有面外磁各向異性的多層膜結構，并加工成霍爾巴器件。基于SOT效應驅動磁化翻轉的研究表明，只有包含NiO薄膜的器件才能夠實現零場下的磁矩翻轉，證明外延NiO薄膜底層的存在是實現無外磁場翻轉的關鍵因素。同時，反常霍爾曲線測量發現，當電流超過某一臨界值時，反常霍爾曲線會隨電流方向的改變發生明顯的左右偏移。這一現象表明在該體系中存在面外方向自旋極化的自旋流，具有面外方向自旋極化分量的自旋流會對磁矩產生反阻尼力矩。當電流足夠大時，反阻尼力矩將大于本征阻尼力矩。因此，當電流絕對值超過臨界電流時，隨著電流方向的改變，反常霍爾電阻回線中心不再重合，因而發生左右相互偏移的現象。

為了揭示NiO薄膜上面外方向自旋極化自旋流的來源，團隊成員對MgO和STO襯底上的NiO薄膜的磁化狀態進行了理論和實驗研究。極化中子反射實驗表明，在MgO襯底上NiO/HM界面呈磁矩補償狀態，然而在STO襯底上NiO/HM界面有未補償磁矩存在。這是由于不同襯底上外延NiO薄膜受不同的應力，使得反鐵磁界面處奈爾矢量的取向發生偏轉。反鐵磁絕緣體和重金屬界面存在較大的功函數差值，在界面形成內建電場，從而改變自旋流的自旋極化方向。由于不同的反鐵磁界面狀態對界面處自旋流的反射效率有所不同，使得MgO和STO襯底上的器件在零場下磁矩翻轉的比率不同。第一性原理計算表明，在無晶格應力作用的時候，NiO奈爾矢量具有面外方向分量，而在壓應力狀態下，奈爾矢量會向面內方向傾斜，易于形成未補償磁矩的界面狀態。這一理論研究與實驗結果相一致，揭示了一種面外方向自旋流誘導零場磁矩翻轉的新機制。

該工作以“Field-free spin-orbit torque switching via?out-of-plane spin-polarization induced by an

antiferromagnetic insulator/heavy metal?interface”為題目發表在國際著名期刊 《Nature Communications》上，北京科技大學王夢溪博士和新加坡材料與工程研究所的周軍博士為共同第一作者，北京科技大學材料科學與工程學院徐曉光教授、姜勇教授、香港理工大學應用物理系楊明博士為該論文的通訊作者，中國科學院物理研究所于國強研究員、朱濤研究員、北京工業大學韓曉東教授、李昂副教授為本文的共同作者。

圖文解析

圖1：NiO薄膜在不同襯底上的結構及形貌。

圖2：SOT驅動磁化翻轉曲線及MOKE圖像。

圖3： 不同襯底反鐵磁絕緣體界面磁化狀態極化中子反射及第一性原理計算結果。

文章鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-38550-1

?課題組簡介：

北京科技大學材料科學與工程學院徐曉光教授、姜勇教授課題組主要從事磁電子材料與器件領域的研究，目前主要研究領域包括基于鐵磁金屬、反鐵磁金屬/絕緣體、補償亞鐵磁體、二維材料等磁電子器件的自旋相關輸運性質，以及低功耗、高性能存儲和邏輯運算器件的研究。課題組常年招收博士研究生以及博士后，感興趣的同學可電子郵件聯系徐曉光教授（xgxu@ustb.edu.cn）。

香港理工大學應用物理系楊明助理教授課題組主要利用高通量第一性原理與機器學習加速功能材料研發并結合實驗揭示相應的機理，目前主要的研究體系包括催化材料、二維材料、復雜氧化物界面等，具體見研究組主頁（polyuyang.net）。課題組常年招收博士研究生以及博士后，感興趣的同學可電子郵件聯系楊明博士（mingyang@polyu.edu.hk）。