PRL: 南京大学杨洪新团队：反对称交换耦合力矩实现垂直磁翻转操作

KouShare 蔻享学术 2023-02-17

近日，南京大学物理学院杨洪新教授团队与兰州大学物理学院贾成龙教授等合作，提出反对称交换耦合力矩翻转垂直磁的全电压控制机理，为磁随机存储器（MRAM）的写入功能操作提供了一个全新的物理机制。

该工作首次理论预言反对称交换耦合力矩[Dzyaloshinskii-Moriya interaction torque (DMI torque)]在DMI手性连续翻转过程中可以持续推动磁斯格明子(Magnetic skyrmion)的膨胀直到垂直磁背底实现完全的磁矩翻转，DMI手性翻转可以通过电压控制多铁薄膜的极性实现，从而实现了全电压控制的DMI力矩翻转垂直磁的写入功能。相关研究成果以“Voltage-Controlled Dzyaloshinskii-Moriya Interaction Torque Switching of Perpendicular Magnetization”为题，于2023年2月2日发表在国际物理学顶级期刊《Physical Review Letters》上 [Phys. Rev. Lett. 130, 056701 (2023)]。

该论文第一作者为杨洪新组的博士后于东星博士，博士生尕永龙、助理研究员梁敬华博士共同参与了研究，通讯作者为南京大学物理学院杨洪新教授和兰州大学物理学院贾成龙教授。感谢Mairbek Chshiev教授和诺贝尔物理学奖得主Albert Fert教授的深入讨论。该项研究得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金，宁波市重点科技项目，浙江省“先锋”和“领雁”研发计划项目，浙江省自然科学基金，北京凝聚态物理国家实验室开放课题重点项目，中国博士后科学基金，以及南京大学人才启动项目等的资助。

自1996年, Bell实验室的Slonczewski博士和Berger博士在理论上预测了自旋转移力矩[Spin Transfer Torque (STT)]的纯电学的磁隧道结写入方式以来，纯电学操控磁翻转机制，除了自旋轨道力矩[Spin Orbit Torque (SOT)]，受限于物理学中有限的几种磁及电相互作用的局限，利用力矩翻转垂直磁方面几乎没有新机制的发展。而DMI力矩比较于MRAM中最流行的利用STT或者SOT写入垂直磁，能量耗散将会显著降低，这是因为DMI力矩对垂直磁做写操作时完全是通过电压控制而实现，没有电流的产生，所以RAM中焦耳热引起的能量耗散将被省却，另外可以预期DMI torque MRAM的核心器件部分仅仅需要垂直方向的偏压栅极即可，集成上也很简单，对新型MRAM磁存储器的开发可能产生重要意义。另外，作为一个应用探索，作者利用DMI力矩实现了神经形态计算中一个神经元的“漏-收集-激发”功能模拟。

审稿人在评审过程中对本工作提出各种建设性意见和指导的同时，也对该工作给予高度肯定：“In general, this is a high quality work. The DMI torque mechanism is new and interesting, which seems to have significant application prospect in development of MRAM.”

研究背景

磁的翻转操作是自旋电子学中最核心的研究内容之一。现代非易失性随机存储器主要依赖自旋转移力矩或自旋轨道力矩实现磁矩的翻转控制，极大促进了现代信息技术的发展。然而，电流的使用在诱导出力矩的同时也通常会引发焦耳热，大幅增加能量的耗散。磁矩的全电压操控研究可为解决此类问题提供一种有效方案，是相关研究的热点之一。作为磁斯格明子等拓扑手性磁结构产生与稳定的重要因素，DMI的手性和强度均可由外加电压或电场调制，实现磁性的全电学操控。例如，杨洪新团队近期在此方面的进展：利用CrN单层[Phys. Rev. B 102, 220409(R) (2020)], Co插层的双层 [Phys. Rev. B 105, 174404 (2022)] 等二维磁电多铁材料中磁性与电极化之间的本征耦合，DMI及磁斯格明子的手性均可通过外加电场进行调控，进而实现不同拓扑磁结构之间的相互切换。这些有关DMI及磁斯格明子电学操控方面的发现展示了DMI力矩在拓扑磁结构调控方面的潜力，引发研究人员思考DMI力矩是否能与自旋转移力矩或自旋轨道力矩一样，在磁矩翻转的电学操控方面发挥作用。

DMI力矩翻转垂直磁理论模型

基于上述背景，杨洪新团队利用自主开发的DMI计算方法[Phys. Rev. Lett. 115, 267210 (2015); Phys. Rev. B 102, 220409(R) (2020); Nat. Rev. Phys. 5, 43 (2023)]，通过理论分析和微磁模拟对DMI力矩作用下的磁斯格明子动力学进行了系统研究。他们首次预测并证明，DMI力矩除了可引起磁斯格明子螺旋度(手性)的改变外，还能诱导出磁斯格明子尺寸的膨胀。有趣的是，DMI手性的二次翻转还可为磁斯格明子的膨胀行为再次提供足够的DMI力矩，使得磁斯格明子进行二次膨胀(图1)。这种DMI力矩诱导的磁斯格明子膨胀现象与微波磁场、自旋流等诱导的磁斯格明子呼吸模式相似，但却完全是由DMI的手性翻转所引起，可为磁矩翻转的全电压(电场)操控开辟一种新途径。

图1. (a)-(c)由DMI手性翻转诱导的磁斯格明子膨胀现象；(d)-(f)分别对应于(a)-(c)的磁斯格明子手性翻转示意图。

多铁薄膜中的全电压控制DMI手性翻转

为进一步探索并证明上述DMI力矩诱导的磁斯格明子膨胀现象和垂直磁矩翻转机制，他们以二维多铁为例, 基于自旋螺旋态能的倒空间计算原理，发展了一套DMI参量的计算方法，并研究了DMI手性的翻转机制。体系中自发的对称性破缺能够诱导足够强度的DMI。通过与交换相互作用、垂直磁各向异性等磁相互作用的竞争，可在中产生稳定的磁斯格明子态。外加电场可有效调节Cu元素的位置，形成两个能量完全简并且DMI手性相反的基态结构，进而可实现磁斯格明子不同手性状态之间的电压脉冲转换(图2)。

图2. (a) 二维结构的俯视图；(b)电压脉冲操控的垂直电极化翻转及相应的磁斯格明子手性翻转示意图；(c)基于第一性原理计算的上电极化和下电极化对应的自旋螺旋态能和DMI能。

DMI力矩翻转垂直磁动力学模拟

DMI手性的多次翻转可为磁斯格明子的膨胀行为提供足够的DMI力矩，使其持续膨胀，直至湮灭。不同于磁斯格明子不断缩小至湮灭的磁动力学现象，这种DMI力矩作用下的磁斯格明子动力学可将磁斯格明子的背景磁矩完全改变，实现一个有限纳米圆盘中磁矩的全电压翻转(图3)。由于磁矩的翻转与磁斯格明子的初态相关，纳米圆盘中的磁性状态还可由不同的电压脉冲序列直接设定。特别地，此机制中磁斯格明子的膨胀效应及磁矩的翻转操控完全是由DMI能的耗散驱动，这使得此种机制具有耗散能回收的特点，可极大降低实际应用中磁矩切换的能量耗散和热扰动，增强磁矩翻转操控的稳定性。有意思的是，上述磁斯格明子的动力学现象完全由DMI力矩所诱导，因此在DMI手性可翻转的其他磁斯格明子体系广泛存在，研究中他们也以CrN单层为例证明了这一点。

图3. (a)用于垂直磁矩翻转操控的电压脉冲序列；(b,c)电压脉冲控制下的垂直磁矩可重复性翻转；(d,e)对应于(b,c)的磁矩和DMI有效场分布。

DMI力矩翻转垂直磁应用举例：神经形态计算模拟

除了应用于垂直磁矩的翻转操控，他们的机制还可实现基于磁斯格明子的神经形态计算模拟(图4)。这种基于拓扑磁结构全电压操控的类脑计算由于在功耗、响应速度、稳定性等方面的特点而在神经形态计算方面有着强大的优势，可为现代自旋电子器件的设计提供新的可能性。

图4. (a)生物神经元的结构和功能；(b)基于磁斯格明子膨胀机制的人工神经元示意图；(c)神经元的“漏-收集-激发”功能模拟。

总结及展望

自旋转移力矩（spin transfer torque）, 利用极化电流把电子上的自旋角动量转移到局域磁矩上，经不断积累实现磁体的磁矩翻转；自旋轨道力矩（Spin Orbit Torque）则是利用spin Hall effect (SHE)或inverse spin galvanic effect (iSGE)，使得在具有强自旋轨道耦合的重金属层中流动的电流转化为自旋流，自旋流向铁磁层中扩散，对铁磁层的磁矩施加力矩使之翻转。这两个磁翻转机制在MRAM上已经获得广泛应用，本工作则是在STT和SOT之后，利用反对称交换耦合（DMI）场和局域磁矩相互作用产生力矩，经电压控制DMI手性实现DMI力矩对磁斯格明子尺寸的持续扩张积累，从而实现从一个磁体中的磁斯格明子缺陷内部“瓦解”（翻转）整个磁体。其发展还有待实验物理来验证，但是理论上我们已经揭示了该现象的美妙与简单，期待DMI torque MRAM能够在不久的将来成为MRAM的一个分支。