北京科技大学徐晓光\姜勇&香港理工大学杨明合作发表Nat. Commun. ：利用反铁磁绝缘体/重金属界面诱导的面外极化自旋流实现零场下的磁化翻转

背景介绍

随着大数据和人工智能时代的到来，信息存储和处理器面临着日益严峻的挑战。高密度、低功耗、长寿命的新型存储和逻辑器件成为当前自旋电子学领域的研究重点课题。然而，传统的磁电子器件需要外磁场来操控自旋，这严重制约着器件的密度、能耗和稳定性。自旋轨道矩（SOT）效应的发现为电流操控自旋提供了一个有效的解决途径，因此，近年来科研工作者致力于发展零磁场下操纵自旋极化方向的纯电学解决方案。例如：引入交换偏置场代替外磁场辅助翻转；利用两种自旋霍尔角相反的重金属产生的竞争自旋流实现无外磁场翻转；产生面外方向自旋极化自旋流实现无外磁场翻转。然而这些方案所需的反铁磁金属层不可避免地存在分流作用，从而严重影响了器件的能效。可见，如何在高效利用操控电流的同时实现零场磁矩翻转是自旋电子领域亟待解决的难题。

成果简介

北京科技大学材料科学与工程学院徐晓光教授、姜勇教授团队与香港理工大学应用物理系杨明博士等合作者联合报道了一种利用反铁磁绝缘体/重金属界面诱导面外极化自旋流的新机制，并基于该机制实现了零场下的磁矩翻转。

团队利用脉冲激光沉积的方法分别在MgO和STO衬底上外延生长了反铁磁绝缘体NiO薄膜，继而在有/无NiO薄膜的衬底上沉积具有面外磁各向异性的多层膜结构，并加工成霍尔巴器件。基于SOT效应驱动磁化翻转的研究表明，只有包含NiO薄膜的器件才能够实现零场下的磁矩翻转，证明外延NiO薄膜底层的存在是实现无外磁场翻转的关键因素。同时，反常霍尔曲线测量发现，当电流超过某一临界值时，反常霍尔曲线会随电流方向的改变发生明显的左右偏移。这一现象表明在该体系中存在面外方向自旋极化的自旋流，具有面外方向自旋极化分量的自旋流会对磁矩产生反阻尼力矩。当电流足够大时，反阻尼力矩将大于本征阻尼力矩。因此，当电流绝对值超过临界电流时，随着电流方向的改变，反常霍尔电阻回线中心不再重合，因而发生左右相互偏移的现象。

为了揭示NiO薄膜上面外方向自旋极化自旋流的来源，团队成员对MgO和STO衬底上的NiO薄膜的磁化状态进行了理论和实验研究。极化中子反射实验表明，在MgO衬底上NiO/HM界面呈磁矩补偿状态，然而在STO衬底上NiO/HM界面有未补偿磁矩存在。这是由于不同衬底上外延NiO薄膜受不同的应力，使得反铁磁界面处奈尔矢量的取向发生偏转。反铁磁绝缘体和重金属界面存在较大的功函数差值，在界面形成内建电场，从而改变自旋流的自旋极化方向。由于不同的反铁磁界面状态对界面处自旋流的反射效率有所不同，使得MgO和STO衬底上的器件在零场下磁矩翻转的比率不同。第一性原理计算表明，在无晶格应力作用的时候，NiO奈尔矢量具有面外方向分量，而在压应力状态下，奈尔矢量会向面内方向倾斜，易于形成未补偿磁矩的界面状态。这一理论研究与实验结果相一致，揭示了一种面外方向自旋流诱导零场磁矩翻转的新机制。

该工作以“Field-free spin-orbit torque switching via out-of-plane spin-polarization induced by an

antiferromagnetic insulator/heavy metal interface”为题目发表在国际著名期刊 《Nature Communications》上，北京科技大学王梦溪博士和新加坡材料与工程研究所的周军博士为共同第一作者，北京科技大学材料科学与工程学院徐晓光教授、姜勇教授、香港理工大学应用物理系杨明博士为该论文的通讯作者，中国科学院物理研究所于国强研究员、朱涛研究员、北京工业大学韩晓东教授、李昂副教授为本文的共同作者。

图文解析

图1：NiO薄膜在不同衬底上的结构及形貌。

图2：SOT驱动磁化翻转曲线及MOKE图像。

图3： 不同衬底反铁磁绝缘体界面磁化状态极化中子反射及第一性原理计算结果。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-38550-1

 课题组简介：

北京科技大学材料科学与工程学院徐晓光教授、姜勇教授课题组主要从事磁电子材料与器件领域的研究，目前主要研究领域包括基于铁磁金属、反铁磁金属/绝缘体、补偿亚铁磁体、二维材料等磁电子器件的自旋相关输运性质，以及低功耗、高性能存储和逻辑运算器件的研究。课题组常年招收博士研究生以及博士后，感兴趣的同学可电子邮件联系徐晓光教授（xgxu@ustb.edu.cn）。

香港理工大学应用物理系杨明助理教授课题组主要利用高通量第一性原理与机器学习加速功能材料研发并结合实验揭示相应的机理，目前主要的研究体系包括催化材料、二维材料、复杂氧化物界面等，具体见研究组主页（polyuyang.net）。课题组常年招收博士研究生以及博士后，感兴趣的同学可电子邮件联系杨明博士（mingyang@polyu.edu.hk）。