2020年11月30日，588888纽约国际官方网站赵巍胜团队于《自然·电子学（Nature Electronics）》在线发表了题为“Exchange bias switching in an antiferromagnet/ferromagnet bilayer driven by spin-orbit torque”的研究成果。该工作利用自旋轨道矩（SOT）实现了反铁磁/铁磁垂直磁各向异性异质结中交换偏置场的翻转，利用X射线磁圆二色性实验、极化中子反射实验和微磁模拟阐释了相关物理机理，为理解交换偏置作用和设计新型自旋电子器件提供了新的思路。我院讲师彭守仲和2017级博士生朱道乾为该论文的共同第一作者，赵巍胜教授是唯一通讯作者，588888纽约国际官方网站为第一单位，美国加州大学洛杉矶分校Kang L. Wang教授和Hao Wu博士、美国国家标准与技术研究院Alexander J. Grutter和Dustin A. Gilbert及美国劳伦斯伯克利国家实验室Padraic Shafer等人参与了该工作。该工作获得国家自然科学基金、高等学校学科创新引智计划、核高基国家科技重大专项、北航合肥创新研究科研项目等项目的支持。
近年来，以自旋转移矩磁随机存储器（STT-MRAM）为代表的自旋电子学受到学术界和工业界广泛关注[1: Nat. Commun. 2018]。STT-MRAM被广泛用于替代物联网、可穿戴设备等应用场景中的嵌入式Flash，例如华为GT2手表等。然而，STT-MRAM存在写入速度和耐久性瓶颈，难以替代静态随机存储器（SRAM）。基于自旋轨道矩的新型数据写入方法有望克服上述问题，其中SOT+STT[2: Nat. Electron. 2018]及SOT+电压调控磁各向异性（VCMA）[3: IEDM 2019]写入方法具有高速度、低功耗等特点，被列入格罗方德公司的磁存储器发展技术路线图。此外，采用拓扑及二维材料等新型材料有望进一步降低功耗[4: Nat. Electron. 2019]，也是当前国际学术前沿关注的重要研究方向。
通过自旋轨道矩调控反铁磁/铁磁异质结中的磁矩和交换偏置场对发展高性能自旋电子器件（如磁隧道结和磁传感器等）具有重要意义，是当前自旋电子学领域的研究热点。赵巍胜教授团队深入研究了IrMn/CoFeB/MgO垂直磁各向异性异质结，利用反铁磁材料IrMn产生的自旋轨道矩实现了IrMn/CoFeB界面交换偏置场的有效调控[5: Nat. Electron. 2020]。进一步研究发现，翻转交换偏置场的阈值电流密度高于翻转铁磁层磁矩的阈值电流密度，通过控制自旋轨道矩电流的大小和方向，可以单独调控铁磁层磁矩和交换偏置场方向，从而可使该异质结在四个状态之间转换，如图1所示。此外，X射线磁圆二色性实验、极化中子反射实验及微磁仿真研究表明，该体系下的交换偏置场源于IrMn/CoFeB界面未补偿的反铁磁钉扎磁矩，自旋轨道矩对交换偏置场的翻转源于这些未补偿钉扎磁矩的翻转，如图2所示。本工作揭示了反铁磁/铁磁异质结中电学调控交换偏置场的物理机理，通过与隧穿磁阻效应结合，可以实现全新的数据存储和数据写入方法，有望进一步提高数据存储密度、降低数据写入功耗，具有重要意义。
图1：自旋轨道矩驱动IrMn/CoFeB异质结在四个状态之间转换。a. 状态转换示意图。b-h.利用自旋轨道矩同时翻转铁磁层磁矩和交换偏置场（b-d）、仅翻转铁磁层磁矩（e）、仅翻转交换偏置场（f-h）。
图2：自旋轨道矩驱动交换偏置场翻转的微磁仿真结果。a. 反铁磁/铁磁界面结构示意图。b.初始状态的磁滞回线。c. 施加不同自旋轨道矩电流后的磁滞回线。d,e. 不同自旋轨道矩电流驱动下的铁磁层磁矩随时间变化情况。f. 自旋轨道矩电流驱动铁磁层磁矩和交换偏置场翻转结果。
文章原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41928-020-00504-6
S. Peng et al., Exchange bias switching in an antiferromagnet/ferromagnet bilayer driven by spin-orbit torque, Nature Electronics (2020).
参考文献：
[1] M. Wang, W. Cai, K. Cao, J. Zhou, J. Wrona, S. Peng, H. Yang, J. Wei, W. Kang, Y. Zhang, J. Langer, B. Ocker, A. Fert, and W. Zhao*, Current-induced magnetization switching in atom-thick tungsten engineered perpendicular magnetic tunnel junctions with large tunnel magnetoresistance, Nat. Commun. 9, 671 (2018).
[2] M. Wang†, W. Cai†, D. Zhu†, Z. Wang†, J. Kan, Z. Zhao, K. Cao, Z. Wang, Y. Zhang, T. Zhang, C. Park, J.-P. Wang, A. Fert, and W. Zhao*, Field-free switching of a perpendicular magnetic tunnel junction through the interplay of spin–orbit and spin-transfer torques, Nat. Electron. 1, 582 (2018).
[3] S. Peng, J. Lu, W. Li, L. Wang, H. Zhang, X. Li, K.L. Wang, and W. Zhao*, Field-free switching of perpendicular magnetization through voltage-gated spin-orbit torque, IEEE Int. Electron Devices Meet. (IEDM) 28.6.1-28.6.4 (2019).
[4] X. Lin, W. Yang, K.L. Wang, and W. Zhao*, Two-dimensional spintronics for low-power electronics, Nat. Electron. 2, 274 (2019).
[5] S. Peng†, D. Zhu†, W. Li, H. Wu, A.J. Grutter, D.A. Gilbert, J. Lu, D. Xiong, W. Cai. P. Shafer, K.L. Wang, and W. Zhao*, Exchange bias switching in an antiferromagnet/ferromagnet bilayer driven by spin-orbit torque, Nat. Electron. (2020).
