自旋轨道类场矩的翻转机制研究

基于三维磁场调控和时间分辨的电学测量技术，研究发现在自旋轨道矩驱动磁存储器件数据写入的过程中，类场矩的大小和方向对写入功耗和速度具有显著的影响。该项工作阐明了自旋轨道矩磁隧道结磁化翻转的物理机制，为下一代磁存储器件的优化指出了新的方向，研究成果近期发表在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy。

自旋轨道矩磁随机存储器（Spin-Orbit Torque Magnetic Random Access Memory， SOT-MRAM）由于具有写入速度快、功耗低、耐久度高和非易失性等优点，引起了学术界和工业界的广泛关注与研究。作为器件应用的关键物理机理，自旋轨道矩驱动磁化翻转的机制仍不够明晰，现有的研究往往聚焦在自旋轨道效应产生的类阻尼矩（Damping-like Torque，DLT）这一项上，而类场矩（Field-like Torque，FLT）在磁化翻转中的作用至今仍没有明确的定论。揭示类场矩在磁化翻转中的作用机制，进而探究通过调控类场矩实现器件性能优化的方法是当前亟需解决的关键问题。

近日，SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy（SCPMA，《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版）2022年第10期报道了北京航空航天大学集成电路科学与工程学院赵巍胜教授、史可文副教授团队的一项研究成果，利用三维磁场调控技术和时间分辨的超快电学测量手段，调控自旋轨道矩磁隧道结中等效类场矩的大小，发现类场矩对磁化翻转的影响取决于其等效场与自旋极化σ的相对方向，等效场与自旋极化方向反平行的类场矩能够显著提升器件写入速度、降低功耗，并进一步建立了更完善的自旋轨道矩驱动磁化翻转的物理模型，为磁存储器器件性能优化指出了新的方向。

图1 自旋轨道矩驱动磁化翻转的基本物理图像以及实验设置

通过改变与写入电流垂直的面内磁场的大小和方向，调控等效的类场矩大小，同时利用时间分辨的超快脉冲电学测量手段观测到，当类场矩等效场与自旋极化方向反平行时，SOT翻转中的弛豫时间显著降低，翻转速度加快且功耗更低；类场矩等效场与自旋极化方向同向时作用效果则相反。

图2 在不同等效类场矩下(a)翻转磁动态的变化以及(b)翻转概率与电流密度的关系

结合磁学仿真方法，考虑温度、类场矩、垂直磁各向异性场等多种因素建立了更完善的自旋轨道矩驱动磁化翻转的模型，其中类场矩通过调控类阻尼矩做功的机制和效率来改变SOT翻转的速度和所需功耗。不同方向的类场矩会决定类阻尼矩与阻尼效应的关系是对抗还是协同，从而表现出类场矩对SOT翻转既可以起促进作用，也可以起到抑制作用。基于该模型的仿真结果与实验数据吻合较好，且能够解释SOT翻转过程中弛豫时间存在的原因。

图3 自旋轨道矩驱动磁化翻转的物理模型。(a)类场矩等效场平行于自旋极化；(b)类场矩等效场反平行于自旋极化

这项研究不仅揭示了类场矩在自旋轨道矩驱动磁化翻转中的关键作用，完善了磁化翻转的物理模型，也为新一代磁存储器件超快、低功耗数据写入指出了新的研究方向。

【基金支持】国家重点研发项目（编号：2021YFB3601303，2021YFB3601300），国家自然科学基金项目（编号：92164206, 61904009, 62001014）。致真精密仪器(青岛)有限公司研制的三维磁场探针台及MRAM综合表征系统，为该项研究工作提供了全国产科研仪器及技术支持方案。

转自：“中国科学杂志社”微信公众号

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