[科普中国]-自旋轨道矩

利用自旋轨道矩（SpinOrbitTorque，SOT）实现快速而可靠的磁化翻转，有望突破传统自旋转移矩的性能瓶颈。这种写入技术要求在磁隧道结的自由层下方增加一条重金属薄膜（铂、钽、钨等），流经重金属薄膜的电流能够引发力矩以驱动自由层的磁化翻转，该力矩的成因仍旧处于探讨阶段，可能是拉什巴效应、自旋霍尔效应或二者兼有，但根源均是重金属材料的强自旋轨道耦合作用，因此，该力矩被称为自旋轨道矩。

研究背景虽然自旋转移矩是目前MRAM所采用的主流写入方式，然而，它也存在着难以克服的速度和势垒可靠性瓶颈。自旋转移矩的大小与自由层和参考层的磁化向量积呈正相关。写入之前，两个铁磁层的磁化方向几乎共线（平行或反平行），主要靠热波动引发二者之间出现很小的夹角，所以在写入的初始阶段，自旋转移矩相对微弱，随着磁化翻转过程的进行，两个磁化向量夹角才逐渐增大，自旋转移矩得以增强。初始时，微弱的自旋转移矩导致了一个初始延迟，限制了写入速度。通过增大写入电流可以减小初始延迟，但同时也增加了势垒击穿的概率。初始延迟的存在使STT-MRAM目前还难以满足高速缓存的性能要求。利用自旋轨道矩（SpinOrbitTorque，SOT）实现快速而可靠的磁化翻转，有望突破传统自旋转移矩的性能瓶颈。这种写入技术要求在磁隧道结的自由层下方增加一条重金属薄膜（铂、钽、钨等），流经重金属薄膜的电流能够引发力矩以驱动自由层的磁化翻转，该力矩的成因仍旧处于探讨阶段，可能是拉什巴效应、自旋霍尔效应或二者兼有，但根源均是重金属材料的强自旋轨道耦合作用，因此，该力矩被称为自旋轨道矩。1

基本原理拉什巴效应

拉什巴效应，是一种二维的界面效应。这个图是采用自旋轨道矩写入方式的磁隧道结，我们可以看到，它在三明治结构的下方添加了一个重金属层，电流从该金属层中流过，而不像STT一样穿过磁隧道结。电流在流过金属时破坏了沿z方向的电子分布对称性，产生了一个有效的静场，并且伴随着垂直于电流方向的非平衡态自旋密度。不对称的结构，再加上自旋的效应，这就产生了一个沿水平方向y轴的磁场H，可以使得自由层的磁化方向发生偏转。在铁磁层当中，由于Rashba效应产生的磁场伴随着s-d轨道的交换相互作用，能够让电子自旋传导给局部磁化M。综合以上结论，电流作用于铁磁层能够产生一个作用于固有磁性的交流调解有效场，这样我们能够获得自旋矩，使得磁性发生变化。

自旋霍尔效应

自旋霍尔效应，简而言之就是，电流在顺磁性金属中流动时，会产生横向自旋失衡，继而产生自旋流以及自旋霍尔电压。

当带自旋和磁矩的电子在铁磁金属中经过垂直电场后会感应到一个横向力。可以分有磁场和无磁场两种情况进行讨论：当系统中有净磁场强度时，就会产生与电流流动相关的磁化电流，并且横向力在垂直于电流的方向会产生静电失衡现象，因此导致了反常霍尔效应。如果系统中没有净磁化强度，顺磁性金属或者掺杂半导体或者高于居里温度点的铁磁金属中，在磁场中产生反常霍尔效应的相同散射机制会将携带自旋的电子优先散射在垂直于电流流动的方向上，其中一个方向上都是自旋向上的电子，另外一个方向上都是自旋向下的电子，两侧的边界上会有积累的效应。2

两种效应的对比首先，他们的来源不同，Rashba效应是一种二维的面效应，一种边界效应，而SHE是一种体效应，它来源于重金属层产生的体电流，也就是说在外加电场不变的情况下，我们可以通过改变材料的厚度来改变性能，这一点是Rashba效应无法做到的。第二是它们产生的磁场有一定区别区别，Rashba效应产生的磁场是垂直于电流方向的平面磁场，而自旋霍尔产生的是一个闭合的奥斯特场。第三是Rashba效应对于结构反演不对称有强烈的需求，在结构对称的情况下会产生其他影响，而自旋霍尔效应则是强调材料的特性（比如自旋霍尔角）。2

与自旋转移矩对比与自旋转移矩相比，由拉什巴效应或自旋霍尔效应引起的自旋轨道矩具有两个显著的优势:(1)自旋轨道矩来源于重金属材料，因此写入路径不通过磁隧道结，与读取路径分开，几乎避免了势垒击穿；(2)对于垂直磁各向异性磁隧道结来说，自旋轨道矩写入速度更快。在写入的初始时刻，两个磁场方向均沿平面方向，与自由层磁化方向垂直，所以，初始的自旋轨道矩比传统的自旋转移矩更强，消除了初始延迟。1

研究热点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。1

特点基于自旋霍尔效应的自旋轨道矩的具有以下优点：首先，由于只需要在三明治结构下方加入一层贵金属膜用于提供电流，这种几何形状易于制造，并且可以具有与常规双端MTJ相当的效率。另外，无电流穿过磁隧道结，可以有效防止击穿隧道势垒；读写电流之间能够有效地隔离，电流在磁隧道结下方的Ta金属中流过时（也就是低阻态）实现磁性翻转，通过感测磁隧道结的状态读取数据，这种分离方法同时极大地提高了可靠性和输出信号电平，因此为磁存储器和非易失性自旋逻辑应用提供了优越的方法。1

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学