非共线反铁磁 - 铁磁异质结构中的电流诱导相互切换：开启自旋电子器件创新之门

为解决自旋轨道扭矩（SOT）极性难以主动操控的问题，研究人员开展非共线反铁磁 / 铁磁异质结构中电流诱导相互切换的研究。结果表明实现了 CoFeB 和 Mn3Sn 的相互切换，有可编程逻辑和计算等功能，为创新自旋电子器件奠定基础。

　　在现代信息技术飞速发展的时代，数据存储和处理的需求与日俱增，磁存储和计算技术作为其中的关键部分，一直是科研人员关注的焦点。自旋轨道扭矩（SOT）作为一种控制磁态的有效方式，为磁存储和计算领域带来了新的曙光。然而，传统的 SOT 方案存在局限性，其极性往往由材料和器件结构被动决定，就像被上了一把固定的锁，缺乏灵活性。在当前追求高效、灵活的信息处理技术的大背景下，这种被动的 SOT 极性设定显得格格不入，无法满足日益复杂的信息处理需求，限制了磁存储和计算技术的进一步发展。为了突破这一困境，来自日本东北大学（Tohoku University）等机构的研究人员展开了深入的探索。

他们聚焦于非共线反铁磁 - 铁磁异质结构，开展了电流诱导相互切换的研究。研究发现，利用非共线反铁磁（NCAFM）/ 非磁性 / 铁磁（FM）的 Mn₃Sn/Mo/CoFeB 异质结构，在零磁场下，Mn₃Sn 的磁结构可使自旋电流极化，进而诱导 CoFeB 层发生电流诱导切换；通过适当调整驱动电流，来自 CoFeB 的自旋电流又能反转 Mn₃Sn 的磁取向，而这又决定了后续 CoFeB 切换的极性。这种相互切换的机制，为磁存储和计算技术带来了新的希望，论文发表在《Nature Communications》上。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。在样品制备方面，采用 DC/RF 磁控溅射在 MgO (111) 单晶衬底上沉积多层薄膜，并通过退火等处理优化薄膜性能 ；利用 X 射线衍射技术，精确表征 Mn₃Sn 的晶体结构；通过四探针法对霍尔棒器件进行输运测量，以此来研究材料的电学和磁学性质。

下面来看具体的研究结果：

• 基本结构、输运和磁性：制备的 Ru (2 nm)/Mn₃Sn(17 nm)/Mo(t_Mo)/CoFeB(1 nm)/MgO(1.3 nm)/TaO_x(1 nm) 薄膜，经 X 射线衍射分析，确定 Mn₃Sn 形成了 (0001) 面且为完全外延生长。通过霍尔效应测量发现，Mn₃Sn/Mo/CoFeB/MgO 样品的霍尔电阻（R_H）有明显磁滞回线，对应 CoFeB 的磁化翻转，而 Mn₃Sn/Mo/MgO 样品则为普通霍尔效应的线性背景。同时，Mn₃Sn 的面内磁滞回线表明其在零场下具有多畴结构。
• Mn₃Sn 的 MSHT 对 CoFeB 的极性可逆无场切换：通过磁场控制 Mn₃Sn 的磁取向，研究发现 Mn₃Sn 可作为可逆磁自旋源，其磁取向翻转时，CoFeB 的切换极性也随之反转，且该无场切换不能由 Mo 的弱自旋霍尔效应实现，而是源于 Mn₃Sn 的 z 分量自旋产生的反阻尼 MSHT 切换。
• 对磁性自旋源 Mn₃Sn 的 MSHT 极性的电控：利用从 CoFeB 流向 Mn₃Sn 的极化自旋电流，可实现对 Mn₃Sn 磁取向的电控。研究发现，改变偏置电流方向，可使 Mn₃Sn 切换，进而使 CoFeB 的 MSHT 诱导切换极性改变。此外，研究还探讨了面内磁场对 Mn₃Sn 切换的影响，并提出了 Mn₃Sn 切换的可能机制，即由垂直磁化的 CoFeB 极化的 z 取向自旋和电流产生的 y 取向奥斯特场共同作用。
• 电相互切换的完整序列：在更宽的电流范围（-12 mA ≤ I ≤ +12 mA）内研究发现，存在未切换的 CoFeB 畴对重复的相互切换至关重要。基于此，提出了相互切换过程的自洽定性模型，详细描述了电流变化时 CoFeB 和 Mn₃Sn 的切换步骤。
• 概念验证器件功能：这种电相互切换展现出了有趣的逻辑和计算功能。一方面，通过调节面内磁场，可选择性地开启和关闭切换过程，用于设计基于 SOT 的逻辑器件；另一方面，在基于忆阻行为的神经形态计算中，该相互切换可实现忆阻转变极性的电控，为神经形态计算提供了额外的调节手段。

综上所述，该研究成功展示了非共线反铁磁与铁磁之间的电流诱导相互切换，这一成果意义重大。它打破了传统 SOT 极性难以主动操控的僵局，为自旋电子器件的创新发展开辟了新道路。通过这种相互切换机制，有望开发出更加灵活、高效的磁存储和计算设备，推动信息技术向更高水平迈进。同时，研究中发现的新现象和提出的新机制，也为该领域的后续研究提供了宝贵的参考，激发更多科研人员在自旋电子学领域深入探索，进一步挖掘磁存储和计算技术的潜力。