Gate 电压调控自旋轨道矩：解锁自旋电子器件新潜能

《SCIENCE ADVANCES》：Electrically switchable ON-OFF spin-orbit torque in an ionic-gated metallic trilayer

为实现电场调控自旋轨道矩（SOT），研究人员在 Pt/Co/Pt 自旋轨道器件中利用离子门控技术，发现 SOT 可开关且调制比超 6 倍，为自旋电子器件发展提供新方向。

　　在当今科技飞速发展的时代，自旋电子学作为一个新兴领域，正逐渐成为研究的焦点。自旋电子器件有望实现高性能、低能耗的逻辑运算和数据存储，为未来信息技术的发展带来新的突破。其中，通过电场控制磁化动力学是实现这一目标的关键途径之一。然而，目前在设计基于自旋轨道矩（Spin-Orbit Torque，SOT）的器件时，利用电场效应调制 SOT 面临诸多挑战。一方面，电场控制的应用局限于半导体材料和少数特殊平台；另一方面，具有大自旋轨道耦合的重要材料如 5d 重金属，其实现电场可调的 SOT 器件困难重重。这就如同在前进的道路上遇到了重重障碍，阻碍着自旋电子学的进一步发展。

为了突破这些困境，来自未知研究机构的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们的研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为自旋电子学领域带来了新的曙光。

研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：

• 样品制备：通过直流磁控溅射在热氧化硅（100）衬底上沉积 Ta（0.5nm）/Pt（2nm）/Co（1nm）/Pt（1.5nm）薄膜堆栈，并利用标准光刻和氩离子铣制备 10μm 宽的霍尔条形器件和侧栅电极。
• 离子门控技术：使用由 DEME-TFSI、PS-PMMA-PS 聚合物和乙基丙酸酯按特定比例混合制成的离子凝胶，在室温下施加栅极电压，在谐波霍尔测量时将温度降至 200K 以稳定离子结构。
• 谐波霍尔测量：在 200K 的低温恒温器中，施加幅值为 2 - 5mA、频率为 113.3Hz 的交流电流，同时使用两个 SR830 锁相放大器测量纵向和横向磁场下的一阶和二阶谐波霍尔电压。

研究结果如下：

• Pt/Co/Pt 中的电门控效应：研究人员构建了一种自旋轨道器件，该器件采用对称的 Pt/Co/Pt 结构和垂直磁各向异性，可实现 SOT 的电开关操作。在未施加栅极电压时，来自顶部和底部 Pt 层的自旋电流相互抵消，SOT 处于关闭状态。施加栅极电压后，打破了电对称性，使自旋电流不对称，从而激活 SOT。通过离子门控技术，利用电解质中的阳离子和阴离子在栅极电场下极化，实现对通道表面的电荷掺杂和氢吸附 / 吸收，进而调控自旋电荷相互转换效率，实现了 SOT 的可开关操作。同时，测量纵向电阻（Rxx?）发现，其随栅极电压（Vg?）变化，表明电荷密度或电荷载流子散射受到电门控调制。
• 通过电门控调制 SOT：研究人员对纵向和横向外部磁场下的一阶和二阶谐波霍尔信号进行测量。结果显示，在原始样品中，阻尼类 SOT（DL-SOT）近似为零，而场类 SOT（FL-SOT）存在。施加Vg?后，DL-SOT 效率（ξDLT?）发生显著变化。在正栅极电压下，ξDLT?改变符号；在负栅极电压下，ξDLT?显著增加至 0.066，调制比高达 633%，这表明 SOT 对Vg?具有高度敏感性。此外，研究还发现ξDLT?与Rxx?呈现近似线性关系，而ξFLT?与Rxx?的关系较弱且非线性，说明 SOT 效率的变化与电子传输密切相关。

在研究结论和讨论部分，研究人员深入探讨了电门控机制。通过实验发现，该机制主要归因于离子效应而非传统的双电层电场效应。具体而言，氢吸附 / 解吸的表面效应主导了 SOT 效率的电门控，而质子传输的体效应影响较小。从理论上，研究人员通过建立简单的三层模型，计算得出考虑栅极调谐的自旋霍尔角对解释实验结果至关重要。同时，研究还验证了自旋轨道器件中 DL-SOT 电开关操作的可重复性。

这项研究意义重大，它首次实现了离子门控的 Pt/Co/Pt 自旋轨道器件中 SOT 效率的栅极调制，且开关比超过 6 倍。这种调制显著增强了对称 Pt/Co/Pt 三层结构中原本消散的 DL-SOT，使得该自旋轨道器件的性能超越了其他使用拓扑绝缘体和横向门控的材料系统，为电可编程自旋电子器件开辟了新的研究方向。此外，该研究平台为研究与自旋轨道耦合相关的基本物理现象（如自旋霍尔效应和 Rashba-Edelstein 效应）的栅极调制提供了新的方法和思路，推动了自旋电子学领域的进一步发展。