半导体所朱礼军课题组发现一种自旋存算器件全电写入新方式

自旋电子学存算器件是后摩尔时代信息科学的潜在解决方案之一。如何实现垂直磁各向异性比特的高能效全电驱动是目前高密度自旋存算技术亟待突破的重要课题。传统材料（如重金属和拓扑材料等）由于对称性保护只能产生面内横向极化自旋（σy），其角动量无法翻转垂直磁各向异性比特。因此，寻找垂直有效磁场和垂直极化自旋（σz）的有效产生方法成为近年来的科学前沿和研究热点。

最近，半导体所半导体超晶格国家重点实验室的朱礼军课题组发现一种由扩散电流（spreading current）引起、广泛存在于微纳米器件和具有重要影响的垂直有效磁场，并发展了不同极化方向自旋（σx, σy,σz）的可靠测量方法。技术上，该垂直有效磁场为自旋存算器件提供了一种新颖、普适、高能效、可高密度集成的全电写入方式。图1(b)所示为基于该方法的全电驱动SOT-MRAM基元。科学上，该垂直有效磁场呈现出被数十篇文献所认为的可判定垂直极化自旋（σz）存在的三种“指纹特征”：面内磁矩的自旋扭矩铁磁共振（ST-FMR）出现sin2φ响应（φ为外磁场相对电流的夹角）；谐波霍尔电压响应（HHVR）出现面内角度不依赖响应；均匀垂直磁矩出现零磁场电流翻转。该一发现意味着在通过自旋扭矩铁磁共振、谐波霍尔电压响应和磁矩翻转等手段判定垂直自旋或其他自旋的出现及其产生的自旋轨道矩强度和各向异性等时都必须充分考虑扩散电流及类似电流非均匀性效应的重要影响。例如，在低长宽比或具有非对称电极形状的条形器件时（如图1（a）所示的2端ST-FMR器件），忽略该垂直有效场将导致严重错误的自旋轨道矩数值和各向异性结论。

该工作发表在美国物理联合会（AIP）旗舰期刊Applied Physics Reviews，入选期刊“研究亮点（Featured Article）”并被美国物理联合会科学之光Scilight专题报道。朱礼军研究员为通讯作者，刘前标博士为第一作者。该工作得到了中科院B类先导专项的支持。

论文信息：Qianbiao Liu, Lijun Zhu*, Current-induced perpendicular effective magnetic field in magnetic heterostructures, Appl. Phys. Rev. 9, 041401 (2022).

全文链接：https://aip.scitation.org/doi/pdf/10.1063/5.0116765

图1.微纳米自旋器件中扩散电流引起的垂直有效磁场效应。（a）面内磁矩的自旋扭矩铁磁共振谱（ST-FMR）出现sin2φ响应；（b）均匀垂直磁矩实现零磁场电流翻转

编辑：春雪