操縱自旋流的極化方向是深入理解新型電荷-自旋轉換機制以及實現高效的電控磁的關鍵。近日，松山湖材料實驗室研究員吳昊團隊在國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助下，研究并提出一種新型非共線交換彈簧磁結構，能夠實現對自旋流極化方向的靈活調控。相關成果發表于《先進材料》（Advanced Materials）。
零外場、低功耗的全電學磁性信息寫入方式是開發自旋電子器件的關鍵，特別是在磁性隨機存儲器（MRAM）領域。目前，基于鐵磁體中自旋極化電流的自旋轉移力矩（STT）機制作為一種高效磁性信息寫入的方法，已被廣泛應用于商用化的STT-MRAM芯片。
近年來，研究人員對強自旋軌道耦合材料的自旋軌道力矩（SOT）表現出極大興趣。相比STT，基于SOT的讀寫分離的三端SOT-MRAM中具有獨特優勢，從而顯著提高器件的耐用性。為了實現垂直磁性的零外磁場SOT驅動磁化翻轉，通常需要打破結構、晶格或自旋紋理的對稱性，以誘導z方向分量的自旋極化和自旋力矩。然而，在傳統材料體系中，自旋極化的調控面臨諸多挑戰，如材料的不均勻性，與CMOS工藝的兼容性以及器件擴展性等問題。在此背景下，非共線交換彈簧作為一種新型磁結構單元，為探索和實現可調控的自旋極化提供了新思路。
研究人員提出一種新型非共線交換彈簧磁結構，該結構由具有垂直磁各向異性的硬磁CoTb和面內磁各向異性的軟磁Co薄膜的異質堆疊構成，通過界面磁耦合相互作用和磁各向異性的競爭，形成了磁矩從垂直到面內連續過渡的非共線空間分布的交換彈簧磁結構。電流通過自旋霍爾效應產生y方向的自旋極化流，當沿y方向極化的自旋流經過非共線交換彈簧（位于x-z平面）磁結構時，會產生自旋重取向從而獲得x和z方向自旋極化，進而在室溫下實現零外場、全電學驅動的垂直磁化翻轉。
更為重要的是，這種非常規的自旋極化方向可以根據界面交換耦合的極性（鐵磁性或反鐵磁性）進行調控，從而調控電控磁的翻轉極性。他們進一步建立了自旋與非共線空間分布交換場相互作用的微觀理論模型，以及通過微磁學模擬的方法定性和定量分析了z-極化自旋驅動的零外場確定性垂直磁化翻轉動力學過程。
該研究工作為SOT-MRAM提供了一個新奇的非共線交換彈簧磁結構單元，能夠實現對自旋流極化方向的靈活調控，有望為下一代自旋電子器件的發展開辟新途徑。
相關論文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202414139