...課題組在自旋電子學領域取得重要突破:L10相FePt中體自旋力矩效應

2020-11-21 同濟大學新聞網

物理科學與工程學院丘學鵬課題組在自旋電子學領域取得重要突破：L10相FePt中體自旋力矩效應

來源：物理科學與工程學院   時間：2020-07-03  瀏覽：

自旋電子學的核心研究內容之一，是利用電流產生自旋力矩以操控自旋和磁矩方向，從而開發新型的低功耗信息器件。迄今為止，關於自旋力矩(Spin Orbit Torque, SOT)的研究主要集中於非磁金屬/鐵磁異質結體系，其面臨以下根本性瓶頸科學問題：異質結體系中的自旋力矩屬於界面效應，從而隨磁性薄膜厚度增加而減小，不利於製備熱穩定性好、非易失性的信息器件；由異質結構建的磁性隨機存儲器(Magnetic Random Access Memory, MRAM)器件需要三端架構，顯著增加了器件複雜度。

為解決這些根本性瓶頸問題，物理科學與工程學院丘學鵬研究員團隊創新地提出在兼具強磁性和強自旋軌道耦合作用的L10相FePt單層膜中探索自旋力矩，示意圖如圖1(a)。團隊首先製備了外延的L10相FePt單層納米膜，再利用霍爾電測量和磁光測量技術探索自旋力矩效應。實驗結果表明：L10相FePt單層中存在自旋力矩效應，可利用自旋力矩操控磁化狀態（圖2），並且該自旋力矩表現出體效應特性，即隨著薄膜厚度增加自旋力矩增強（圖3）。這一結果是國際上首次在具有垂直磁各向異性的單層膜中實現自旋力矩操控磁化狀態，為解決前述瓶頸問題提供了新思路，有望開發出具有簡單結構、高密度、低能耗的自旋器件。此項研究成果一方面拓展了自旋力矩研究的版圖，另一方面將對開發具有簡單結構、高密度、低能耗的自旋電子器件產生變革性的影響。

 

圖1 L10相FePt單層膜中自旋力矩示意圖(a)，晶體結構的XRD表徵(b)和TEM表徵(c)，磁性表徵(d)

 圖2 自旋力矩驅動磁化狀態翻轉的測量示意圖(a), 8 nm L10相FePt的電測量結果(b)和磁光測量結果(c)

圍繞L10相FePt單層膜中自旋力矩的起源，文章先後排除了反向晶界、溫度梯度、磁化強度面內分量、表面Pt分離等引起對稱性破缺的因素，最終歸結為L10相FePt單層膜內在的結構梯度，其表現為沿著薄膜生長方向存在成分梯度。團隊特別設計並成功製備出具有相反結構梯度的L10相FePt單層膜，並在該樣品中觀測到相反的自旋力矩效應，證實了結構梯度在L10相FePt單層膜自旋力矩的產生中起到決定性作用。

基於實驗結果，團隊進一步從理論上建立具有結構梯度的單層鐵磁薄膜模型，採用量子輸運方法計算體系的自旋力矩。計算結果表明，當單層膜不存在結構梯度時，體系的自旋力矩為零，隨著結構梯度增大，自旋力矩逐漸增大（圖4），從理論上證明了結構梯度產生自旋力矩這一機制的合理性。

該成果以「Bulk Spin Torque-Driven Perpendicular Magnetization Switching in L10 FePt Single Layer」為題發表在《Advanced Materials》。同濟大學物理科學與工程學院博士生唐猛為論文第一作者，同濟大學物理科學與工程學院丘學鵬研究員、阿卜杜拉國王科技大學和艾克斯-馬賽大學Aurelien Manchon教授為論文共同通訊作者。

文章連結：https://doi.org/10.1002/adma.202002607

 

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