随着人工智能和互联网的快速发展，信息存储技术面临挑战。磁随机存储器（MRAM）凭借高密度存储，高读写速度被视为后摩尔时代极具应用前景的新兴存储技术之一。基于自旋轨道转矩（SOT）的磁随机存储器快速发展，其通过SOT操控磁矩翻转，具备高响应速度和低功耗优势。传统的自旋霍尔体系由自旋源层和铁磁层构成，沿x轴施加电荷电流会产生沿y轴极化、沿面外z轴方向流动的自旋流。当这种y极化的自旋流进入相邻的铁磁层时，会施加一个面内方向的反阻尼转矩，可有效翻转具有面内磁各向异性的铁磁层。然而，对于具有垂直磁各向异性的铁磁层，由于对称性限制，面内反阻尼转矩无法实现确定性的磁化翻转。为了实现垂直磁化铁磁层的确定性翻转，传统策略通常需要引入外加磁场、工程化交换相互作用或层间耦合，或构筑结构非对称性等。尽管这些方法能够实现无场翻转，但也会显著增加器件结构复杂度，不利于大规模和高密度集成。相比之下，一种更直接、更有效的策略是利用面外自旋流，即z自旋，它可以向铁磁层施加面外反阻尼转矩，在零磁场下驱动垂直磁化铁磁层的磁化翻转。然而，目前已被实验验证的本征低晶体对称性自旋源材料仍十分有限，且其z自旋产生效率普遍不高，限制了低功耗自旋电子器件的发展。
本研究首次利用低晶体对称性外尔半金属NbIrTe4产生的强面外自旋流，在室温下实现垂直磁化的高效全电学无场翻转。该成果以《All-Electric Low-Power Switching of Perpendicular Magnetization by Low-Crystal-Symmetry Weyl Semimetal NbIrTe4》为题，发表于国际顶级期刊《ACS Nano》。山西师范大学来嘉敏、侯蕊、严志与天津工业大学靳明芬为共同第一作者，山西师范大学许小红教授、王飞教授，天津工业大学张德林教授与山东大学张力舒教授为共同通讯作者。
3数据概览
通过拉曼光谱表征NbIrTe4薄膜的低晶体对称性，当激光偏振与a轴平行时，150 cm-1的拉曼峰强度达到最大。研究团队制备了标准霍尔器件测量NbIrTe4的非线性霍尔效应，当电流沿NbIrTe4的低对称a轴施加时，观察到明显的二次谐波横向电压，进一步证实沿NbIrTe4的a轴方向反演对称性破缺。
【图1】NbIrTe4的晶体结构与非线性霍尔
研究团队在机械剥离制备的NbIrTe4薄膜顶部沉积了Ti (2.0 nm)/Co0.2Fe0.6B0.2 (1.3 nm)/MgO (2.0 nm)/Ta (1.5 nm)（简称CoFeB），CoFeB呈现了方形的磁滞回线，表明铁磁层的长程有序且具有垂直磁各向异性。电流沿NbIrTe4的低对称轴a轴施加时，在零磁场下可实现清晰的磁化翻转，临界翻转电流密度为3.6 × 106 A/cm2。该无场翻转在高达19 mT的面内磁场扰动下仍能保持稳定的翻转极性，展现出优异的抗磁场扰动能力。
【图2】Ti (2.0 nm)/Co0.2Fe0.6B0.2 (1.3 nm)/MgO (2.0 nm)/Ta (1.5 nm)样品中，电流诱导的垂直磁化铁磁层的翻转。电流沿NbIrTe4的a轴施加。
为了量化面外反阻尼转矩，研究团队进行了回线偏移测试，得到NbIrTe4(24 nm)/CoFeB器件的面外转矩效率为θz = 0.0586，对应面外自旋霍尔电导率为2.61 ´ 104 ()
。随后，研究团队总结了各种材料的面外转矩效率及对应的电荷导电率，NbIrTe4在所研究的本征低对称材料中（包括WTe2和TaIrTe4）表现出最高的面外自旋霍尔电导率，并且整体性能超过了所报道的低磁对称材料，如Mn3Sn和Mn3Pt。
【图3】NbIrTe4（24 nm）/Ti（2.0 nm）/Co0.2Fe0.6B0.2（1.3 nm）/MgO（2.0 nm）/Ta（1.5 nm）的回线偏移结果，以及非常规自旋轨道转矩有效场效率（θz）、电荷导电率（σz）的总结
研究团队进一步通过第一性原理计算证明了NbIrTe4中z自旋的来源，结果表明，面外自旋极化是NbIrTe4中大且高度各向异性的自旋霍尔电导的微观起源。
【图4】NbIrTe4的电子结构与自旋霍尔电导率计算
4科学启迪
这项工作展示了低晶体对称性范德华层状材料NbIrTe4中的z自旋可在室温下驱动垂直磁化的全电学无场翻转。NbIrTe4表现出高的面外自旋霍尔电导率，超过已报道的其他本征低晶体对称材料。其高的自旋霍尔电导率不仅有效降低了磁化翻转功耗，同时增强了器件抵抗外部磁场扰动的性能。该工作不仅拓展了本征低晶体对称性自旋电子学材料的选择范围，也为开发超低功耗、全电学控制的下一代MRAM和SOT器件提供了重要材料平台。
原文信息：Lai, J.-M., Hou, R., Yan, Z, et al. All-Electric Low-Power Switching of Perpendicular Magnetization by Low-Crystal-Symmetry Weyl Semimetal NbIrTe4. ACS Nano (2026).
