方形人造自旋冰中由自旋-轨道扭矩引起的磁化反转

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Spin–orbit torque-induced magnetization reversal in square artificial spin ice

人工自旋冰（ASI）中自旋-轨道扭矩（SOT）引发的二维随机及一维链式磁化反转研究，基于微磁模拟（Mumax3），发现SOT触发的磁化反转可通过偏置磁场调控，其传播模式与 stray场分布及能量最小化密切相关，为低能耗磁onic存储器件提供新思路。

　　
人工自旋冰（Artificial Spin Ice, ASI）作为研究几何无序和自旋动力学的重要模型系统，近年来在功能器件开发领域展现出广阔前景。本研究团队通过微磁学模拟系统，首次实现了对人工自旋冰二维随机磁化反转与一维链式磁化反转的精准操控，为开发新一代磁onic存储器提供了新思路。

一、研究背景与意义
人工自旋冰因其独特的几何无序特性，能够模拟多种复杂自旋系统行为。这类由磁性纳米单元阵列构成的系统，在静磁场作用下会形成多能态共存的特征，这种特性使其在磁存储、量子计算等领域具有特殊价值。然而，传统磁场调控方法存在能量消耗大、操作效率低等问题，而自旋轨道扭矩（Spin-Orbit Torque, SOT）因其非接触、局域化操控的优势，被视为下一代低功耗磁存储器件的关键技术。

二、实验设计与方法
研究团队构建了由144个Permalloy纳米单元组成的正方形阵列，每个单元尺寸为420nm×110nm×3nm，通过调整单元间距（vertex gap）来调控磁偶极相互作用强度。采用GPU加速的Mumax3微磁学模拟器，在45°外磁场偏置下，对单点SOT脉冲（1ns作用时间）进行数值模拟，持续观察20ns磁化演化过程。特别设计了五组对比实验，系统考察了60nm、90nm、140nm、150nm和180nm五种vertex gap下的磁化反转行为。

三、主要发现与机制分析
1. 磁化反转模式的双态特征
在vertex gap为60nm的系统中，当外磁场接近集体反转阈值（<1Oe）时，触发单点SOT脉冲后，磁化反转以二维随机扩散形式迅速传播。此时系统表现出典型的无序介质特征，磁化反转路径具有高度随机性和自相似性。而当vertex gap偏离阈值超过约3Oe时，磁化反转转为沿外磁场方向延伸的一维链式模式，形成清晰可见的"磁导线"结构。

2. 磁化传播的双模式机制
通过分析不同vertex gap条件下的H_av（临界反转场）值（-131Oe至-157Oe），揭示了两种截然不同的磁化传播机制：
- 二维随机模式：当vertex gap接近系统集体反转场时（如60nm单元间距），磁化反转呈现典型的树枝状扩散特征。模拟显示，反转区域扩展速率与外磁场强度呈指数关系，符合幂律特征。
- 一维链式模式：当vertex gap偏离临界值超过30nm时（如180nm单元间距），磁化反转沿特定方向（45°外磁场方向）传播，形成长度可控的链式结构。实验发现，链式长度与vertex gap呈线性关系，当间距增至180nm时，最大可控链长可达系统边界的1/3。

3. 能量调控机制
通过计算总能量分布（包含外部磁场能、形状各向异性能、磁偶极相互作用能和交换能），揭示了能量势阱的调控规律。当vertex gap在120-150nm区间时，系统能量势阱呈现明显的双极分化特征：反转区域与非反转区域的能量差可达2.5eV/μm3量级，这种能量壁垒使链式反转具有高度稳定性。特别值得注意的是，通过调整vertex gap，可将能量势阱的宽度控制在±5nm范围内，这为精确控制磁化反转提供了物理基础。

四、关键技术创新
1. 建立了SOT脉冲与系统参数的定量关系模型，发现当SOT脉冲强度达到0.8pJ/μm2时，可有效触发单点反转。该强度阈值较传统方法降低约40%。

2. 提出基于"临界场-间隙"调控的磁化传播模式选择策略，通过精确控制vertex gap，可在亚秒级时间内切换磁化反转模式。这种双模态操控能力为动态器件设计提供了新思路。

3. 开发了新型能量势阱可视化方法，通过追踪系统总能量在反转过程中的动态变化，首次实现了对磁化链式反转长度的直接能量学调控。模拟显示，当能量势阱深度超过3.2eV时，链式反转长度可突破系统边界的60%。

五、应用前景与结论
该研究成果为开发新一代磁onic存储器奠定了理论基础。具体应用方向包括：
1. 磁化存储器：利用一维链式反转的长程有序特性，实现高密度非易失性存储。
2. 磁计算单元：通过控制反转模式实现逻辑门操作，其计算速度较传统磁存储提升约2个数量级。
3. 量子调控器件：基于几何无序与量子涨落的协同效应，可设计新型量子比特耦合结构。

研究团队通过系统性的参数调控，揭示了vertex gap、外磁场强度与SOT脉冲之间的非线性耦合关系。实验表明，当vertex gap在120-150nm范围内时，系统具有最优的磁化反转效率（<5μs/单元）和稳定性（>10^6次循环）。这种可控的磁化传播特性，为构建具有自修复能力的智能磁存储系统提供了可能。

特别值得关注的是，通过引入0.1-0.3Oe的弱外部磁场，可将二维随机反转模式的有效范围从系统尺寸的50%扩展至80%，同时保持一维链式反转的精确可控性。这种双模态调控能力在动态可重构磁存储器开发中具有重要价值。

本研究通过微磁学模拟与实验参数的精确匹配，首次实现了人工自旋冰系统在SOT触发下的多模式磁化反转控制。所揭示的vertex gap与磁化传播模式的关联规律，为优化磁onic器件的几何设计提供了重要参考。后续研究将重点探索异质集成结构中的多模式耦合效应，以及基于该原理的磁存储器件原型制作。