【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】自旋電子器件被認(rèn)為是后摩爾時代存儲和邏輯器件最有前景的解決方案之一。自旋電子學(xué)的核心是磁性比特的電流翻轉(zhuǎn)。然而，科學(xué)家無法定量甚至定性地剖析面內(nèi)電流翻轉(zhuǎn)垂直磁矩的物理現(xiàn)象。
 

　　為了探討面內(nèi)電流翻轉(zhuǎn)垂直磁矩的深層次物理機(jī)制，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所朱禮軍團(tuán)隊圍繞直接參與磁矩翻轉(zhuǎn)的自旋軌道矩效應(yīng)和手性交換相互作用(DMI)開展研究。該團(tuán)隊運(yùn)用重金屬合金方法調(diào)控界面電子結(jié)構(gòu)，觀測到重金屬/鐵磁體系的界面DMI由界面自旋軌道耦合強(qiáng)度和界面軌道雜化共同決定的直接實驗證據(jù)，并演示了軌道雜化不變時界面DMI效應(yīng)隨界面自旋軌道耦合強(qiáng)度的線性依賴關(guān)系。進(jìn)一步，該團(tuán)隊在組分均勻的磁性單層膜內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了全新的體DMI，為研究磁性體系的手性相互作用、拓?fù)浯艑W(xué)和電流翻轉(zhuǎn)等物理現(xiàn)象提供了新思路。
 

　　近日，朱禮軍團(tuán)隊通過大量電流翻轉(zhuǎn)實驗研究，提出了長程層內(nèi)DMI的物理概念，解釋了垂直磁矩的自旋軌道矩翻轉(zhuǎn)和磁場翻轉(zhuǎn)的對稱性破缺、面內(nèi)磁場直接翻轉(zhuǎn)垂直磁矩等自旋物理問題。研究表明，磁性異質(zhì)結(jié)存在垂直磁矩并受到面內(nèi)磁疇的手性交換相互作用的影響，其相互作用距離可達(dá)幾個納米；長程手性交換相互作用導(dǎo)致垂直磁矩經(jīng)歷垂直有效磁場，進(jìn)而產(chǎn)生在無垂直外加磁場情況的陡直翻轉(zhuǎn)和自旋軌道矩翻轉(zhuǎn)電流的對稱性破缺。這種垂直DMI有效磁場隨面內(nèi)磁場和界面DMI常數(shù)變化。該團(tuán)隊利用長程DMI效應(yīng)在單個自旋軌道矩器件中實現(xiàn)了可編程的、完整的布爾邏輯運(yùn)算。
 

　　上述研究解開了自旋電子器件翻轉(zhuǎn)領(lǐng)域的較多謎團(tuán)，有望促進(jìn)新型存儲器和邏輯器件的設(shè)計研制。相關(guān)研究成果以Asymmetric magnetization switching and programmable complete Boolean logic enabled by long-range intralayer Dzyaloshinskii-Moriya interaction為題，發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院和北京市的支持。