近期，来自东北大学电气通信研究所纳米电子与自旋电子学实验室（Laboratory for Nanoelectronics and Spintronics, Research Institute of Electrical Communication, Tohoku University）等多个单位的研究人员，包括 Ju-Young Yoon、Yutaro Takeuchi 等，在《自然通讯》（Nature Communications）期刊上发表了题为 “Electrical mutual switching in a noncollinear antiferromagnetic–ferromagnetic heterostructure” 的论文。该研究实现了非共线反铁磁体与铁磁体之间的电流诱导相互切换，为开发创新的自旋电子器件开辟了新途径，有望推动逻辑和神经形态计算技术的变革。
一、研究背景
在现代信息技术中，磁性状态的电控是磁存储、逻辑和计算的基础。自旋轨道扭矩（SOT）作为一种控制磁性状态的有效方法，通过电流与自旋轨道相互作用产生的自旋电流来实现。在传统集成电路非易失性存储器的应用中，SOT 切换方案由材料和器件结构固定，这限制了其在信息处理方面的灵活性。若能有效操纵 SOT 切换的极性（在固定电流方向下实现顺时针或逆时针切换），将为超越二进制数据存储的信息处理带来更多可能。现有研究实现这一目标往往需要外部控制面板，如预设条件、恒定磁场或压电基板产生的应变等，这些非电流组件增加了 SOT 器件实施的复杂性。鉴于 SOT 的基本要素仅为磁性异质结构和电流，仅通过简单的电流编程来反转固有 SOT 极性在理论上是可行的，这对深入挖掘内部磁和电子结构之间的相互作用、推动 SOT 切换新方案以及开发灵活可编程器件具有重要意义。
实现电流对固有 SOT 极性的控制，需要具有可调电荷 - 自旋转换符号的自旋源。具有手性自旋结构的非共线反铁磁体（NCAFM）中的磁自旋霍尔效应（MSHE）及产生的磁自旋霍尔扭矩（MSHT）为此提供了潜在解决方案。例如，是一种典型的表现出 MSHE 的 NCAFM，其手性自旋结构翻转时，电流诱导的非平衡自旋是可逆的，这使得垂直磁化的无场切换成为可能。然而，实现 MSHE 的电流控制仍面临重大障碍，即缺乏实现磁自旋源无场切换的机制。
研究发现，在同一器件中，利用从流向的极化自旋电流，并在开始时施加较大电流作为偏置，可实现对磁取向的电控。通过测量不同偏置电流下的回线，发现仅改变偏置电流方向就能获得相反极性的 MSHT 诱导的切换，这表明在的大电流 regime 下发生切换。研究还探讨了面内磁场对切换的影响，发现切换比随面内磁场的变化而单调变化，且受沿 y 方向的恒定磁场抑制。此外，研究提出切换的可能机制，归因于垂直磁化的极化的固定 z 方向自旋和电流产生的可翻转 y 方向奥斯特场的共同作用。
（四）电相互切换的完整序列
在分别研究了和的无场切换后，研究人员展示了在更宽电流范围（）内电相互切换的完整序列。通过测量回线，并结合自洽的定性模型分析，解释了相互切换过程中各步骤的磁状态变化。由于和中的磁畴随机分散，整体上的切换幅度减小。研究指出，可通过增强的 x 轴单轴各向异性或降低的切换势垒来提高切换比。
（五）概念验证器件功能
电相互切换在逻辑和计算中引发了有趣的功能。一方面，通过电流可选择性地开启和关闭切换过程，通过调整面内磁场控制中有助于切换的磁畴，进而精确控制切换过程，可用于设计基于 SOT 的逻辑器件。另一方面，基于忆阻行为的神经形态计算中，该相互切换表现出独特应用。器件中的多步磁切换由磁畴的成核和扩展引起，决定了的切换，且通过偏置电流方向可电反转忆阻转变的极性，为神经形态计算的构建块提供了额外的调节旋钮。
该研究成果在多个领域具有重要意义。在自旋电子学领域，突破了传统 SOT 器件的限制，为开发更灵活、高效的自旋电子器件提供了理论和实验依据。在逻辑和计算领域，电可编程的逻辑功能和忆阻行为为构建新型逻辑电路和神经形态计算系统提供了新途径，有望推动计算技术向更高性能、更低功耗方向发展。然而，目前的研究仍存在一些有待改进的地方，例如切换比有待进一步提高，器件的稳定性和可靠性还需深入研究。未来的研究可以朝着优化材料结构、探索更有效的调控方法等方向展开，以进一步挖掘这种异质结构在自旋电子学和计算领域的潜力，实现其更广泛的应用。
