自旋電子學(xué)的核心研究內(nèi)容之一，是利用電流產(chǎn)生自旋力矩以操控自旋和磁矩方向，從而開發(fā)新型的低功耗信息器件。迄今為止，關(guān)于自旋力矩(Spin Orbit Torque, SOT)的研究主要集中于非磁金屬/鐵磁異質(zhì)結(jié)體系，其面臨以下根本性瓶頸科學(xué)問題：異質(zhì)結(jié)體系中的自旋力矩屬于界面效應(yīng)，從而隨磁性薄膜厚度增加而減小，不利于制備熱穩(wěn)定性好、非易失性的信息器件；由異質(zhì)結(jié)構(gòu)建的磁性隨機存儲器(Magnetic Random Access Memory, MRAM)器件需要三端架構(gòu)，顯著增加了器件復(fù)雜度。

為解決這些根本性瓶頸問題，物理科學(xué)與工程學(xué)院丘學(xué)鵬研究員團隊創(chuàng)新地提出在兼具強磁性和強自旋軌道耦合作用的L10相FePt單層膜中探索自旋力矩，示意圖如圖1(a)。團隊首先制備了外延的L10相FePt單層納米膜，再利用霍爾電測量和磁光測量技術(shù)探索自旋力矩效應(yīng)。實驗結(jié)果表明：L10相FePt單層中存在自旋力矩效應(yīng)，可利用自旋力矩操控磁化狀態(tài)（圖2），并且該自旋力矩表現(xiàn)出體效應(yīng)特性，即隨著薄膜厚度增加自旋力矩增強（圖3）。這一結(jié)果是國際上首次在具有垂直磁各向異性的單層膜中實現(xiàn)自旋力矩操控磁化狀態(tài)，為解決前述瓶頸問題提供了新思路，有望開發(fā)出具有簡單結(jié)構(gòu)、高密度、低能耗的自旋器件。此項研究成果一方面拓展了自旋力矩研究的版圖，另一方面將對開發(fā)具有簡單結(jié)構(gòu)、高密度、低能耗的自旋電子器件產(chǎn)生變革性的影響。

圖1 L10相FePt單層膜中自旋力矩示意圖(a)，晶體結(jié)構(gòu)的XRD表征(b)和TEM表征(c)，磁性表征(d)

 圖2 自旋力矩驅(qū)動磁化狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的測量示意圖(a), 8 nm L10相FePt的電測量結(jié)果(b)和磁光測量結(jié)果(c)

圍繞L10相FePt單層膜中自旋力矩的起源，文章先后排除了反向晶界、溫度梯度、磁化強度面內(nèi)分量、表面Pt分離等引起對稱性破缺的因素，最終歸結(jié)為L10相FePt單層膜內(nèi)在的結(jié)構(gòu)梯度，其表現(xiàn)為沿著薄膜生長方向存在成分梯度。團隊特別設(shè)計并成功制備出具有相反結(jié)構(gòu)梯度的L10相FePt單層膜，并在該樣品中觀測到相反的自旋力矩效應(yīng)，證實了結(jié)構(gòu)梯度在L10相FePt單層膜自旋力矩的產(chǎn)生中起到?jīng)Q定性作用。

基于實驗結(jié)果，團隊進一步從理論上建立具有結(jié)構(gòu)梯度的單層鐵磁薄膜模型，采用量子輸運方法計算體系的自旋力矩。計算結(jié)果表明，當(dāng)單層膜不存在結(jié)構(gòu)梯度時，體系的自旋力矩為零，隨著結(jié)構(gòu)梯度增大，自旋力矩逐漸增大（圖4），從理論上證明了結(jié)構(gòu)梯度產(chǎn)生自旋力矩這一機制的合理性。

該成果以“Bulk Spin Torque-Driven Perpendicular Magnetization Switching in L10 FePt Single Layer”為題發(fā)表在《Advanced Materials》。同濟大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院博士生唐猛為論文第一作者，同濟大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院丘學(xué)鵬研究員、阿卜杜拉國王科技大學(xué)和艾克斯-馬賽大學(xué)Aurelien Manchon教授為論文共同通訊作者。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202002607