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九五至尊娱乐棋牌在橫向自旋軌道矩誘導磁化定向翻轉的研究中取得新進展

2020-07-22

 

自旋軌道矩(spin-orbit torque, 以下簡稱SOT)是近年來發展起來的新一代電流驅動磁化翻轉技術,具有信息寫入速度快、功耗低、耐久度高、穩定性好等獨特優勢,是未來非易失性存儲器的理想選擇方案之一。通常,非磁/鐵磁雙層膜結構中由SOT所産生的有效磁場指向面內方向,因此對于垂直磁化的鐵磁層而言,需要引入外加磁場等額外的對稱性破缺才能實現定向的磁化翻轉。如何通過原理創新,突破零磁場下SOT誘導磁化定向翻轉的難題,在當今自旋電子學領域具有重要的理論和應用價值。 

中科院九五至尊娱乐棋牌半導體超晶格國家重點實驗室研究員王開友等人,近年來通過引入自旋流密度梯度[Nature Materials, 2017, 16(7): 712]和內置面內耦合磁場[Advanced Electronic Materials, 2018, 4(9): 1808104]等方法,成功實現了零磁場、可重構的SOT誘導磁化定向翻轉;在此基礎上,他們還演示了全電控自旋邏輯[IEEE Electron Device Letters, 2019, 40(9): 1554]和自旋人工突觸可塑性功能[Advanced Functional Materials, 2019, 29(25): 1808104]。 

最近,該研究團隊又提出並在實驗上驗證了橫向自旋軌道矩(Lateral SOT,以下簡稱LSOT)誘導的垂直磁化定向翻轉。如圖1所示,他們利用局域激光退火獲得了不對稱的非磁/鐵磁水平異質結構,發現在零外加磁場下,即使沒有垂直方向自旋流的注入,僅僅利用LSOT就可以實現零磁性下垂直磁化的完全定向翻轉,其翻轉取向僅取決于局域激光退火的位置。該結果突破了SOT對傳統非磁/鐵磁雙層膜體系中垂直自旋流注入的依賴。該成果以題爲 “Deterministic magnetization switching using lateral spin-orbit torque”的論文發表在《先進材料》上[Advanced Materials, 2020, 32(16): 1907929]。九五至尊娱乐棋牌王開友研究員爲論文通訊作者,已出站博士後曹易和博士生盛宇爲論文共同第一作者,合作者包括九五至尊娱乐棋牌姬揚研究員和鄭厚植院士、以及英國諾丁漢大學Kevin William Edmonds副教授。 

 

圖1 局域激光退火後Pt/Co/Pt結構中由LSOT誘導的Co層磁化定向翻轉。當上下Pt厚度分別爲3nm和2.6nm時,來自它們的傳統SOT效應幾乎相互抵消,而垂直磁化的Co層依然可以在LSOT誘導下實現完全的定向翻轉。  

      在此基礎上,他們進一步在實驗上演示了一種可編程的互補型LSOT邏輯器件。如圖2所示,基于一對激光局域退火位置分別在-y和+y方向的LSOT器件,利用電流初始化對邏輯功能進行編程,分別實現了AND,OR,NAND和NOR等邏輯門,並演示了利用3個LSOT器件組合而成的原型半加器。此外,將磁化狀態作爲一種邏輯輸入,即可利用工作電流對邏輯功能進行編程,實現無需初始化的存算一體邏輯操作,演示了包括IMP(蘊涵門)在內的多種狀態邏輯門(stateful logic gate)。這種互補型LSOT邏輯單元,在器件層面爲非馮·諾伊曼式的存內計算方案提供了一種可行的思路。該成果以題目爲“Complementary lateral-spin-orbit building blocks for programmable logic and in-memory computing”的論文發表在《先進電子材料》上 [Advanced Electronic Materials, 2020, DOI: 10.1002/aelm.202000296]。九五至尊娱乐棋牌王開友研究員爲論文通訊作者,博士生張楠和已出站博士後曹易爲論文共同第一作者,合作者包括九五至尊娱乐棋牌姬揚研究員和鄭厚植院士、以及英國諾丁漢大學Andrew W. Rushforth副教授。 

 

圖2 翻轉取向互補的一對LSOT器件的布爾邏輯操作示例 

該系列研究工作得到了中科院前沿科學重點研究項目、科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金重點研究專題、以及王寬誠教育基金等經費支持。 

  

文章鏈接: 

1. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907929 

2. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.202000296 

  



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