[科普中国]-确定性磁化翻转-

确定性磁化翻转这一概念主要用于自旋轨道矩的研究当中，磁化翻转是指在不需要外加磁场的情况下，通过注入自旋极化电流，就可以使铁磁层的磁化方向改变，甚至发生翻转，从而改变铁磁层的磁阻。但是单独的自旋轨道矩无法实现确定性的磁化翻转，必须沿电流方向外加一个水平磁场破坏这种对称性才能实现确定性的磁化翻转。1

简介自旋电子学由于其丰富的物理内涵和广泛的器件应用前景已成为凝聚态物理的热点领域。GMR和TMR等效应自提出以来，便在读写磁头、磁存储元件、磁场探测器等领域得到广泛应用、这是自旋电子学在应用领域取得的巨大成功。然而，无论是GMR还是TMR器件，都必须通过外加磁场进行操作，这就在一定程度上增加了器件的复杂度，限制了器件的应用范围。人们希望找到一种器件，既能实现GMR和TMR的功能，又无需外加磁场。

1996年，Slonczewski和Berger在理论上分别独立地提出一种纳米尺度下新的自旋相关效应—电流感应的磁化翻转（CIMS）效应，即在不需要外加磁场的条件下，只通过注入自旋极化电流，就可以使铁磁层的磁化方向改变，甚至发生翻转，从而改变铁磁层的磁阻。该效应一提出就引起研究人员的极大兴趣，开展了大量的理论和实验研究。2

磁化翻转影响因素实验研究表明，磁化翻转效应主要会受到以下一些因素的影响。

（1）器件的材料、界面情况。铁磁膜的饱和磁化强度、自旋弛豫长度，以及铁磁/非铁磁界而的自旋相关散射系数等参数都会对临界电流和磁阻变化率产生直接影响。Co、CoFe、镍铁合金等多种铁磁材料都被人们广泛研究。采用饱和磁化强度较低的材料作为自由层，增强界而的自旋相关散射、都有利于降低临界电流。

（2）器件尺寸和各层的厚度。首先，器件尺寸越大，所需的临界电流越大，翻转越困难。同时，钉扎层和自由层的厚度也需满足一定要求。隔离层的厚度则需满足两个条件：首先要满足电子在隔离层中为弹道输运过程，不发生自旋翻转，这就要求隔离层厚度小于电子的自旋扩散长度；而另一方面，要调整隔离层厚度以尽量减小两个铁磁层之间的耦合作用。

（3）纳米柱体的截面形状的影响。截面为圆形时，由于铁磁膜平面内各向同性，易呈现多磁畴特性；而截面为椭圆形时，由于铁磁膜平面的各向异性，磁化方向通常被限制在椭圆的长轴方向，呈现单磁畴特性。表现于R-I特征曲线上，多磁畴结构的磁阻随电流变化缓慢，单磁畴结构的磁阻随电流的变化则较陡直。此外，铁磁层边缘处的双偶极作用也会对CIMS效应产生影响。为了减小这种耦合作用、一个简单的办法就是采用钉扎层横向不完全限制的结构。

（4）外加磁场的影响。虽然理论上磁化翻转效应不需要外加磁场的作用，但外磁场会影响器件的初始状态，也会影响器件的R-I特征曲线。

磁化翻转的调控电流方法调控磁矩翻转一般需要比较高的电流密度，这会导致很严重的热效应及能耗问题，这是人们当前关注的热点和急需解决的问题。利用电压替代电流调控磁矩翻转,可以极大程度地降低调控磁化翻转的能耗。通常电压调控磁矩翻转有三种不同的机理：压电效应、磁电耦合效应和栅极电场效应。利用这些不同的调控机理，都可以实现电压对磁矩的调控作用。

通过压电效应对磁矩的调控磁性材料的自发磁化状态及磁滞回线与材料的磁晶各向异性密切相关，压电效应通过形变会改变磁性材料的晶格常数，从而直接影响其磁晶各向异性，最终实现电压调控磁性材料的磁矩。为了实现压电效应对磁矩的调控作用，可以制备压电/磁性异质结，在电压的作用下，压电材料表现出拉伸或者收缩形变，这种形变会传递到铁磁层，从而导致磁性薄膜的晶格常数发生变化，达到电压调控磁矩翻转的目的。

磁电耦合作用对磁矩的调控除了利用压电性可以实现调控磁矩之外，铁电材料的铁电特性也可以实现磁矩的调控。在对铁电材料施加外加电压时，会诱发其产生铁电极化，从而产生一个极化电场.在超薄磁性薄膜/铁电性材料构成的异质结中，铁电极化电场通过磁电耦合，可以改变磁性材料界面处的自旋结构以及轨道杂化情况从而可以实现磁性的调控。

栅极电场效应对磁矩的调控利用栅极电场也可以实现磁矩的调控作用，在铁磁金属或铁磁半导体/介电绝缘材料/金属材料结构中，通过对铁磁层施加栅压，可以有效地调控铁磁材料中3d轨道电子或者稀土元素4f电子的态密度，从而影响电子的自旋特性，实现对铁磁性材料磁特性的调控作用。3

相关研究虽然自旋轨道矩有望解决自旋转移矩所面临的速度和势垒可靠性瓶颈，但它仍旧有一个亟待解决的问题：对于垂直磁各向异性的磁隧道结来说，单独的自旋轨道矩无法实现确定性的磁化翻转，磁化在垂直向上和垂直向下两种状态下是等效的，必须沿电流方向外加一个水平磁场破坏这种对称性才能实现确定性的磁化翻转，如图所示。外加磁场的使用增加了电路复杂度，也降低了铁磁层的热稳定性，成为限制自旋轨道矩应用的最大障碍。如何使自旋轨道矩能够在无需磁场的条件下完成确定性的磁化翻转。

本词条内容贡献者为:

刘军 - 副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所