【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，蘭州大學(xué)物理學(xué)院于東星研究員、賈成龍教授與浙江大學(xué)物理學(xué)院楊洪新教授、常凱院士，以及南京大學(xué)和中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所科研人員合作在物理學(xué)頂級期刊《Physical Review Letters》上發(fā)表了題為“Voltage-Controlled Bimeron-Torques Switching of In-Plane Magnetization”的研究論文[Phys. Rev. Lett. 133, 206701 (2024)]。該工作提出了通過利用雙半子(Bimeron：一種拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu))力矩轉(zhuǎn)移自旋角動(dòng)量，實(shí)現(xiàn)電壓控制面內(nèi)磁矩翻轉(zhuǎn)的全新磁寫入。
 

　　圖1. Bimeron力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(bimeron-torques MRAM)示意圖。

 

　　磁矩的寫入，即磁矩的翻轉(zhuǎn)操作，是自旋電子學(xué)的最核心研究內(nèi)容之一。當(dāng)前主流的磁寫入機(jī)制主要是電流驅(qū)動(dòng)的自旋轉(zhuǎn)移力矩(spin-transfer torque，STT)和自旋軌道力矩(spin-orbit torque，SOT)，因預(yù)言STT并催生了電流控制納米磁結(jié)構(gòu)領(lǐng)域(For predicting spin-transfer torque and opening the field of current-induced control over magnetic nanostructures.)，John Slonczewski 和Luc Berger獲得了2013年APS Buckley獎(jiǎng)。然而，隨著信息存儲(chǔ)對高比特存儲(chǔ)密度、高速讀寫以及低功耗的要求，發(fā)展更小尺寸的磁介質(zhì)以及更低功耗的磁寫入方式成為了自旋電子學(xué)的核心競爭領(lǐng)域。
 

　　針對這一關(guān)鍵科學(xué)問題，該團(tuán)隊(duì)與合作者提出了反對稱交換力矩翻轉(zhuǎn)垂直磁的全電壓控制機(jī)理，為磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)的寫入功能操作提供了新機(jī)制[Phys. Rev. Lett. 130, 056701 (2023)，ESI高被引論文]。同時(shí)，利用Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用勢壘及電控磁斯格明子的手性轉(zhuǎn)換特性，理論上實(shí)現(xiàn)了單納米賽道基本布爾邏輯門的構(gòu)建和重構(gòu) [Natl. Sci. Rev. 9, nwac021 (2022)]。
 

　　近日，該團(tuán)隊(duì)與合作者又創(chuàng)新性地提出一種新的磁寫入方式：電壓控制雙半子(Bimeron)力矩驅(qū)動(dòng)面內(nèi)磁矩翻轉(zhuǎn)[Phys. Rev. Lett. 133, 206701 (2024)]。Bimeron是和磁斯格明子相對應(yīng)的一種拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)，該工作提出利用電壓控制的DM相互作用可以實(shí)現(xiàn)對其手性控制，而Bimeron在其手性轉(zhuǎn)換過程中能夠?qū)⒆孕莿?dòng)量傳遞給周圍磁矩，進(jìn)而改變磁體的磁化方向(見圖1)，實(shí)現(xiàn)面內(nèi)磁化方向的180度可控翻轉(zhuǎn)操作(見圖2)。
 

　　圖2. (a)用于產(chǎn)生Bimeron力矩的交變脈沖電壓；(b) Bimeron力矩驅(qū)動(dòng)的平均面內(nèi)磁化的正向切換(0-2.7 ns)和反向切換(2.7-5.4 ns)；(c)對應(yīng)于(b)中面內(nèi)磁化切換的Bimeron動(dòng)力學(xué)。長實(shí)箭頭表示鐵磁背景方向。

 

　　該Bimeron力矩驅(qū)動(dòng)面內(nèi)磁翻轉(zhuǎn)方法擴(kuò)展了自旋角動(dòng)量載體的范圍，巧妙地利用納米級拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的凈磁矩實(shí)現(xiàn)了不需要移動(dòng)電子參與即可轉(zhuǎn)移并傳遞自旋角動(dòng)量，從機(jī)理上避免了電子運(yùn)動(dòng)和碰撞引發(fā)的焦耳熱問題，為低功耗磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)的寫入操作提供了一種全新高效可選的方案。
 

　　該項(xiàng)研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國家自然科學(xué)基金和“111”引智計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。