自旋軌道轉矩

1 引言：磁存儲技術和自旋軌道轉矩

1.1 磁存儲技術的革新：磁物理學的發展

每天我們都會通過電腦、手機接觸到大量的信息，電子辦公、新聞娛樂等等已經成為了我們生活中必不可少的一部分。龐大的信息網路讓我們的生活更加豐富多彩，也促進了社會的創新與發展。顯然，信息量爆炸式的增長也讓信息的存儲技術面臨諸多挑戰，因此如何更高效更穩定地存儲、讀取信息顯得尤為重要，這也是科學家不斷研究的核心方向。回顧歷史，不難發現，在磁學應用於科學技術後，磁存儲技術一直是信息存儲技術的熱門研究方向。磁存儲技術是指利用材料的磁學性質，創造出可以識別的兩種物理狀態，即實現了數字化存儲的基本單元「0」和「1」，並通過讀取和控制磁性性質對信息進行讀、寫的技術。日常生活中，無論是數碼相機中存儲的照片，還是手機保存的歌曲、視頻，抑或是電腦中的會議記錄、文獻論文，它們大多都以二進位的數字信號存儲於電子設備中。

磁存儲技術最早可以追溯到19 世紀的錄音技術。1898 年，丹麥工程師Valdemar Poulson 論證了磁記錄的可行性，並發明了世界上第一台磁帶記錄錄音機。1928 年德國工程師Fritz Pfleumer發表了利用氧化鐵粉末來實現磁帶錄音機的專利。1947 年，以γ-Fe2O3材料為首的現代磁帶存儲技術步入人們的生活，磁帶被廣泛應用。歸功於20 世紀80 年代巨磁阻效應及其物理機制的發現，磁技術在磁存儲和磁邏輯器件得到進一步發展。磁碟，如圖1(a)所示，作為電子信息存儲設備逐漸普及。正是由於很多物理科學家的傑出貢獻，現如今，尺寸只有手掌大小但容量卻超過1 TB的商用硬碟在市場上已是屢見不鮮。其中Albert Fert 和Peter Grünberg 兩位教授分享了2007 年的諾貝爾物理學獎，Stuart Parkin 教授獲得了2014 年Millennium科技重大突破獎。

圖1 磁信息存儲技術(a)硬碟；(b)磁性隨機存儲器；(c)賽道內存。

與硬碟的信息存儲技術相比，隨機存儲技術則可以提供更多的存儲空間和更高的運行效率。在固態存儲領域廣泛應用的今天，相較於傳統的3 類固態存儲(靜態RAM、動態RAM和快閃記憶體(Flash))，磁性隨機存儲(Magnetic Random Accessory Memory，MRAM)被視為最具發展前景的存儲技術。MRAM可謂是「集各家之大成」：擁有高密度非易失性數據存儲性質的同時，又具有更快的讀寫速度和超長的耐久性。另外由於它可以很好地集成在矽片上，這也為之後的工業化應用創造了良好的條件。採用MRAM的另一大優勢是，計算機將不再需要傳統的3 類固態存儲技術的分工合作，省去了信息在不同模塊之間的傳遞，降低了系統整體的功耗，增強了系統的流暢性和穩定性。然而，隨著器件尺寸設計的微型化，電流密度隨著導體截面減小而增加、電子隧穿效應增強等問題在第一代MRAM中變得愈加顯著。為了解決此問題，第二代MRAM，自旋轉移力矩磁性隨機存儲技術(STT-MRAM，STT代表Spin Transfer Torque)應運而生。如圖1(b)所示，STT-MRAM利用自旋極化的自旋流，在自旋轉移力矩的作用下實現數據存儲單元的讀寫。值得一提的是，賽道內存(Racetrack Memory)(圖1(c))是目前基於磁疇壁開發的一項新興磁存儲技術。

自旋軌道轉矩(Spin-Orbit Torque，SOT)指基於自旋軌道耦合(Spin-Orbit Coupling，SOC)，利用電荷流誘導的自旋流來產生自旋轉移力矩，進而達到調控磁性存儲單元的目的(圖2(a))。基於SOT的MRAM(SOT-MRAM)克服了STT-MRAM的缺點，特別是SOT-MRAM 將讀寫路徑分開，因此有著比STT-MRAM更快的讀寫速度和更低的功耗。SOT-MRAM 採用三端式磁性隧道結(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)結構，將讀取和寫入路徑分開，寫入電流大幅降低，寫入速度更快；更重要的是，這不但保護了MTJ 的隧穿絕緣層而且增強了讀取數據的穩定性，並且由於將寫入路徑獨立出來，可以被進一步優化。在賽道內存領域，SOT 可以大大提高磁疇壁的運動速度。此外，SOT 對於斯格明子(Skyrmion)也可以起到調控作用。總之，鑒於其對未來磁信息存儲技術巨大的應用價值，SOT一直受到科學界和技術界的廣泛關注。

1.2 最新磁存儲技術的物理核心：自旋軌道轉矩

要談SOT，顯然離不開我們故事的主人公——自旋(spin)。它和質量、電荷屬性一樣都是電子的內稟屬性。就像人生下來就有男女之分一樣，在外磁場的作用下，電子也會展現出兩種不同的「性別」——自旋朝上(spin up)、自旋朝下(spin down)。當電子展現出朝某一方向的自旋屬性時，我們稱之為自旋極化(spin polarization)。電子的自旋極化實際上就是磁性材料展現出磁性的本質，例如鐵、鈷、鎳磁化就是其微觀上電子自旋極化的宏觀表現。既然電子可以憑藉電荷的屬性，在集體運動時表現為電流；不難想像，自旋極化的電子也會由於自旋的屬性，在集體運動中表現為自旋流。既然自旋極化的電子們在材料中會以自旋流的形式集體運動，由於實際的材料是有邊界的，所以自旋極化的電子們「跑」到邊上只好「靜靜地」待著了，這就形成了自旋積累(spin accumulation)。也正是這種非平衡態的自旋積累，s 軌道和d 軌道電子之間的自旋傳遞，產生了影響磁化強度的力矩，這些堆積的自旋極化的電子們會像磁鐵一樣產生等效的磁場，進而影響界面材料的磁化方向。上世紀80 年代， John Slonczewski 和Luc Berger 提出了自旋轉移力矩的概念：自旋極化的電子流可以將角動量從一個磁體中傳到另一個上，激發自旋波甚至可以轉變磁化方向。基於強SOC 產生的自旋流也會以力矩的方式來影響近鄰的磁性材料，即SOT。當SOT 應用於技術領域的時候，人們最關心的問題便是電荷流與自旋流之間的轉換效率，轉換效率越高就意味著器件的工作能耗越小。因此，物理學家不斷探究不同材料中自旋流和電荷流之間的轉換效率，希望發現影響轉換效率的物理機制，並找到轉換效率更高的材料。其中電荷流和自旋流之間轉換的兩個物理機制是自旋霍爾效應(Spin Hall Effect，SHE)和Edelstein 效應。

一般材料中，電子是自旋簡併的，而在這些材料中，由於SOC的影響，電子運動過程中會受到SOC產生的等效磁場的作用。不同自旋方向的電子受到等效磁場方向不同進而產生分流——當電流流過時，部分電流會轉化為橫向的凈自旋流，自旋流自旋極化方向、電流方向和自旋流方向互為90°。這種現象如圖2(b)所示：流動的電荷電流會產生垂直於電荷流動方向的自旋流，被稱為自旋霍爾效應[30-—34]。而在某些對稱性破缺的二維體系中(特別是異質結的二維界面體系中，界面中的電子們周圍的環境上下不一樣)，電子不再自旋簡併，該體系的等效哈密頓量出現跟SOC相關的額外項，和自旋霍爾效應類似，同樣涉及電流和自旋流的轉換，稱之為Edelstein 效應。這種效應也會產生SOT，如圖2(c)所示。下面，我們將詳細介紹SOT領域的最新研究進展，包括重金屬中的自旋霍爾效應和SOT、金屬體系中的Edelstein 效應、二維材料體系、拓撲絕緣體中的Edelstein 效應和SOT、反鐵磁體系中的SOT以及SOT的研究展望。

圖2 自旋軌道轉矩物理機制(a)自旋軌道轉矩示意圖；(b)由於自旋霍爾效應產生的自旋軌道轉矩；(c)由於Edelstein效應產生的自旋軌道轉矩。FM 代表磁性材料(ferromagnetic materials)，NM代表具有強自旋軌道耦合的非磁性材料(nonmagnetic materials)

2 重金屬中的自旋霍爾效應和SOT

自旋霍爾效應首先由理論物理學家Mikhail Dyakonov 和Vladimir Perel 於1971 年提出，後來在2000 年左右由Jorge Hirsch 和張曙豐兩位理論物理學家重新定義。實驗上由Awschalom 課題組在2004 年首次證明自旋霍爾效應的存在，他們利用磁光克爾效應(Magneto-optic Kerr effect)觀測到了在GaAs 二維電子氣邊界有自旋的積累，並證明是由於自旋霍爾效應引起的。之後的研究中，半導體GaAs、Ge、Si 和金屬體系Al、Au、Pt、Ta等被證明存在著自旋霍爾效應，並且重金屬中的自旋霍爾效應更加顯著。

既然重金屬中存在著自旋霍爾效應，那是否也存在由於此效應產生的SOT 呢？2011 年左右，Ralph 課題組研究了重金屬Pt、Ta 和Beta-W 中的SOC 產生的自旋流施加力矩作用於相鄰的鐵磁層。如圖3(a)所示，在鐵磁CoFeB 和Ta 雙層膜結構中，由於Ta 中的強SOC和自旋霍爾效應，流動於Ta 中的電流會產生豎直方向的自旋流，自旋流造成界面自旋積聚，積聚的自旋對相鄰鐵磁層產生力矩作用。如圖3(b)所示，當電流密度達到一定閾值後，CoFeB 磁化方向發生反轉， 從而觀測到了CoFeB—MgO—CoFeB 這一MTJ低電阻態和高電阻態之間的轉化。這一技術相對於傳統的使用磁場控制磁性材料磁化方向的手段，效率更高、局域性更強。

圖3 自旋軌道轉矩物理機制：自旋霍爾效應(a—b)Ta 中自旋霍爾效應產生的自旋軌道轉矩可以使磁矩發生反轉；(c—e)Pt—FM界面自旋通過率對有效自旋軌道轉矩起著重要作用。

除了以上提到的重金屬中具有很大的自旋霍爾效應和SOT外，研究發現，雜質散射也可以大大增強本徵SOC 很低的材料中的自旋霍爾效應。比如，Ir 和Bi 摻雜的Cu材料，就具有較強的自旋霍爾效應。

研究還表明界面效應對有效SOT 有很大影響。比如Parkin 課題組及其合作者證明在不同的磁性金屬和Pt界面，由於自旋通過率不同，造成的有效SOT也不同，如圖3(c)和(d)所示。自旋通過率——可以理解為界面積累的自旋轉移到界面另一端的百分比，跟界面的spin-mixing 電導非常相關(界面自旋和磁矩角動量的轉化效率)，如圖3(e)所示。在界面上插入其他的金屬層，可以影響界面的spin-mixing 電導，從而可以操控有效軌道轉矩。

3 界面Edelstein 效應

除了自旋霍爾效應以外，界面Rashba SOC效應同樣可以實現自旋和電荷之間的轉換。儘管表現形式上稍有不同，但它們本質上都是源於SOC。Rashba SOC根源上是電子所處環境的空間反轉對稱性破缺的相對論表現：無外磁場的情況下，一個在電場中運動的電子會在自己的本徵坐標系內感受到一個等效磁場作用，等效磁場的方向和電子的動量方向相關，由此導致的能帶結構就如圖4(a)所示，這種能帶意味著一定方向的動量對應著一定方向的自旋極化。基於這種能帶結構，當有電子流動時，界面上電子的動量將在某個方向產生不平衡，由於動量方向和自旋極化方向高度相關，動量的不平衡必然導致自旋極化的不平衡， 從而產生自旋積累， 這種效應稱作Rashba—Edelstein 效應， 或Edelstein 效應，整個過程如圖4(b)所示。該過程與自旋霍爾效應有很多相似之處，比如，都是從電荷流轉化成自旋流，都具有其相對的逆效應等。逆Edelstein 效應如圖4(c)所示，自旋積聚(電子自旋極化方向的不平衡)同樣會導致電流(電子動量的不平衡)的出現。不過，它們之間也具有很大的不同，如圖2(b)和(c)所示，自旋霍爾效應是體效應，而Edelstein 效應發生在二維平面/界面內。並且，由於Edelstein 效應根源上來自於界面電子感受到的外電場，所以人們可以通過外加電壓調節「外電場」的大小，進而人為調控Rashba 場的大小，實現調控Rashba 自旋軌道耦合的強度。這種自旋軌道耦合的可調控性，在自旋電子學和量子計算領域有著巨大的潛在應用價值，同時也為自旋器件的實現提供了更多的可能性。最近幾年的研究主要集中在金屬體系、複雜氧化物界面、二維材料以及拓撲絕緣體表面態中，在下文我們將會逐一介紹。

圖4 自旋軌道轉矩物理機制：Edelstein 效應(a)具有強Rashba 自旋軌道耦合體系的能量色散關係；(b)Edelstein 效應示意圖：由於電荷電流產生自旋積累；(c)逆Edelstein效應示意圖：由於自旋注入產生電荷電流；(d)Pt|Co|AlOx 界面的Edelstein 效應；(e)金屬Ag|Bi 界面的自旋泵浦和逆Edelstein 效應。

3.1 金屬體系

前面我們提到在空間反轉對稱性破缺的體系中，可以產生Edelstein 效應。該效應也可以用來實現對磁體磁化方向的電調控，並且已經在Pt|Co|AlOx體系中被實驗證明。如圖4(d)所示，Co 層為鐵磁層，其上表面的AlOx層和下表面的Pt 層可以為Co 薄膜提供z 方向的較強電勢差(提供了Rashba 場所要求的空間反轉對稱性破缺)。當有電流在Co 層流動時，k 空間中的電子分布將發生位移，變得關於原點不對稱。由於自旋和軌道的耦合，動量分布的不平衡自然會導致自旋積累的不平衡，其凈自旋極化方向垂直於電流方向。由於Co 中的s—d 交換相互作用，Co 中的傳導電子和表現磁性的局域電子耦合在一起，從而傳導電子的自旋積累間接地會對局域電子的磁矩有轉矩作用，實現Co磁性反轉。

2013 年，Fert 課題組在Ag|Bi 界面中發現逆Edelstein 效應。實驗中的自旋流注入手段是自旋泵浦效應，指當NiFe 合金處於鐵磁共振狀態時，由於界面的角動量轉換，在NiFe 合金中不斷進動的磁矩使自旋流源源不斷地注入Ag|Bi 界面。其器件示意圖如圖4(e)所示，由於Ag|Bi 界面處存在Rashba SOC， 自旋和動量是鎖定在一起的。注入的自旋流使界面發生自旋積累，造成原本關於原點對稱的自旋能帶結構發生位移，自旋分布不再關於原點對稱，如圖4(c)所示，自旋分布上的不對稱必然在電荷動量的層面上也展現出不對稱。而動量分布上的不平衡等價於電子的集體運動表現出方向性，便產生了電流(自旋信號轉化為了電信號，可以用常規的電學測量手段測得)。在Ag|Bi 界面測量得到的相比於Ag和Bi 中明顯增強的電壓信號，正是界面Rashba SOC所引起。該效應也通過其他方法或在其他類似體系(如Cu|Bi界面)中觀測到。

3.2 複雜氧化物界面

另一個引起科學家們濃厚興趣的具有Rashba效應的體系是LaAlO3|SrTiO3(LAO|STO)界面的二維電子氣。LAO和STO分別是很好的絕緣體，然而當把LAO薄膜利用分子束外延技術生長在STO襯底上時，如圖5(a)所示，它們的界面出現了導電的且高遷移率的二維電子氣。二維電子氣的Rashba SOC 起源於LAO|STO界面上的電場的對稱性破缺。2016 年，Fert 課題組利用自旋泵浦效應展示了LAO|STO二維電子氣中自旋流到電流的轉化，如圖5(b)所示。同時通過在低溫下施加門電壓，極大地調控了二維電子氣的SOC，進而實現了自旋流電流轉換效率的電調控和極大提高，如圖6(c)和(d)所示。與此同時，北京大學量子材料中心韓偉課題組和中國科學院物理研究所孫繼榮課題組合作，利用自旋泵浦技術，展示了這個體系的逆Edelstein 效應：自旋流到電流的轉換， 並實現了在室溫下通過門電壓調控LAO|STO界面二維電子氣的自旋流電荷流之間的轉換效率，如圖5(e)所示。

圖5 複雜氧化物界面態的Edelstein 效應(a)LaAlO3|SrTiO3界面能帶示意圖，2DEG指的是界面具有很強Rashba 自旋軌道耦合的二維電子氣；(b)自旋泵浦和逆Edelstein 效應測量示意圖；(c)和(d)低溫下(T=7 K)2UC LaAlO3|SrTiO3界面的自旋泵浦和逆Edelstein 效應，門電壓調控電子濃度和Rashba 自旋軌道耦合強度；(e)室溫下門電壓對自旋—電荷轉換效率的調控，樣品是3UC LaAlO3|SrTiO3界面。

此外，低溫磁場下的弱反局域化效應也可用於研究LAO|STO界面SOC強度。

3.3 二維材料體系

石墨烯由於具有非常弱的自旋SOC和較高的電子遷移率，一直被認為很有希望作為自旋通道應用在自旋電子學中。然而，隨著研究的不斷深入，人們發現石墨烯中的SOC可以通過近鄰效應來提高。比如實驗證明鐵磁絕緣體(Yttrium Iron Garnet，YIG)與石墨烯接觸可以大大提高其自旋軌道耦合。如圖6(a)和(b)所示，使用自旋泵浦效應向石墨烯中進行自旋注入，並直接觀測到由自旋流轉化成的電流。作者認為這可能是由於石墨烯所處環境的不對稱性導致的Rashba 效應產生，增強了自旋軌道耦合。由於石墨烯的門電壓可調控性，研究發現可以通過門電壓來調控改變SOC的強度。

圖6 二維材料中的(逆)Edelstein 效應(a)和(b)石墨烯中的自旋泵浦和逆Edelstein 效應；(c)和(d)利用SOT鐵磁共振技術研究二維材料MoS2中的Edelstein 效應。

除了石墨烯之外，人們相繼在具有強SOC的二維材料(MoS2和WTe2)中發現了Edelstein 效應。如圖7(c)和(d)所示，Hoffmann 課題組發現MoS2和Py 界面有著很強的Edelstein 效應並且可以產生SOT。這種新型材料中自旋軌道耦合的研究，將會對新型的自旋電子器件研發提供更為便利的基礎。

圖7 拓撲絕緣體表面態中的(逆)Edelstein 效應(a)三維拓撲絕緣體表面態能量—動量示意圖；(b)Bi2Se3拓撲絕緣體表面態的Edelstein 效應；(c)拓撲近藤絕緣體(TKI)與Bi2Se3類拓撲絕緣體的對比；(d)自旋注入到SmB6表面態示意圖；(e)不同溫度下SmB6中自旋—電荷轉換。

3.4 拓撲絕緣體中的表面態

拓撲絕緣體是一種新型的量子材料，其體態是絕緣的，而其表面/邊緣態具有導電的金屬性質。從圖7(a)的能帶圖中可以發現，就像具有Rashba 自旋軌道耦合的二維電子氣，拓撲絕緣體表面態中的傳導電子的動量和自旋的方向也是被鎖定在一起。並且和Rashba 二維電子氣相比有很大的優勢，其Fermi 面上只存在一個圈，因此在費米面上，向右移動的電子只能具有指向面外的自旋，而向左移動的只具有面內的自旋。當在拓撲絕緣體兩端施加電壓，由於體態的絕緣性，大部分電流從呈現金屬性的表面態中流過，電流的存在導致電子分布在k 空間中發生位移，k 空間中的分布不平衡會導致電子在自旋自由度上的分布同樣表現出不平衡，因此拓撲絕緣體的表面將會產生自旋積累，積累的自旋對磁性層的磁矩有力矩作用，可以改變磁性層的磁化方向。2014年，Ralph 課題組首先演示了利用拓撲絕緣體Bi2Se3表面態中的Edelstein 效應施加力矩於近鄰的鐵磁磁矩的實驗，如圖7(b)所示。

與此同時，其他拓撲絕緣體體系中的( 逆)Edelstein效應也受到了極大關注。比如，Saitoh 課題組首先在Bi2Se3類的拓撲絕緣體上使用自旋泵浦手段進行了嘗試。他們利用坡莫合金作為自旋注入層，施加微波於坡莫合金，當微波頻率和磁矩進動的本徵頻率相等時，坡莫合金便處於鐵磁共振狀態，其中的磁矩不斷地進動，從而向其下方的拓撲絕緣體的表面態中注入自旋流。不斷向下的自旋流引起拓撲絕緣體表面的自旋積聚，由於自旋軌道鎖定，這種自旋積累不平衡會在垂直於自旋和自旋流的方向上產生電荷流。此後，Samarth 課題組在室溫條件下，實現了從磁性絕緣體YIG 自旋泵浦到Bi2Se3類的拓撲絕緣體表面態。Otani 課題組利用門電壓來調控拓撲絕緣體費米面，實現了對其有效SOT的調控。

然而，實驗上探測Bi2Se3類拓撲絕緣體表面態上的逆Edelstein 效應的時候，很難避免拓撲絕緣體體態的干擾(並不完全絕緣)。因此，一個體態完全絕緣，僅有表面態起作用的體系是更為理想的實驗對象，這樣就可以更為乾淨地展現來自拓撲絕緣體表面態的逆Edelstein 效應。最近，大量的輸運和角分辨光電子譜研究表明，Kondo 絕緣體SmB6是一種新型的拓撲絕緣體。當溫度低於3 K時，它的體態完全絕緣，僅有表面態中的載流子對導電有貢獻，也就是說在低溫下，這種材料的電導是更為純凈的來自於表面態的電導，如圖7(c)所示。2016 年，北京大學量子材料中心韓偉課題組和合作者成功地在0.8 K到2.3 K的低溫下，利用自旋泵浦效應，在SmB6這種材料上觀測到來自於表面態的逆Edelstein效應。圖7(d)為實驗原理圖，圖7(e)中自旋信號的溫度依賴關係則展示出當溫度逐漸降低，表面態逐漸主宰電導性質的時候，自旋信號逐漸增大。

4 反鐵磁中的SOT

1970 年，Neel 在諾貝爾物理學獎頒獎演講中非常簡潔地表達了當時科學界對反鐵磁的普遍理解——「很有趣，但是沒用」。反鐵磁對外並不展現磁性，看上去其磁性無法利用，也因此一直以來被認為應用價值不大。然而，「天生我材必有用」，由於反鐵磁對外界不顯示磁性，不為外界磁場所動，恰恰也意味著反鐵磁在信息存儲上有著很強的抗干擾性。不管反鐵磁器件如何緊密排列，相鄰之間的反鐵磁個體都不存在相互干擾。此外，由於反鐵磁中磁矩相互作用的本徵頻率遠遠高於鐵磁體，這意味著以反鐵磁為基礎的信息處理技術的處理速度更快，當初不被看好的反鐵磁，現在反而展現出更大的應用前景。

談到反鐵磁存儲技術，如何有效地探測並操控反鐵磁中磁矩的狀態，成為了性破缺導致的自旋軌道鎖定和在施加電流時的Edelstein 效應也分別在圖8(a)中畫出。由於對稱性破缺的方向相反， Rashba 自旋軌道耦合和Edelstein 效應導致的自旋積累也是方向相反的。因此，從整個晶胞的角度上來看，儘管總的自旋積累相消為零，但自旋積累對反鐵磁晶格的SOT卻疊加。這是因為Mn-A 原子處積聚的自旋所施加的力矩主要作用在Mn-A 原子上，Mn-B 原子處積聚的自旋所施加的力矩主要作用在Mn-B 原子上，而且Mn-A 與Mn-B 原子的自旋取向和自旋積累都滿足符號相反，所以自旋轉矩的效果不是相消為0，而是相互疊加。此外，由於磁電阻的各向異性，當反鐵磁中的磁晶格磁化取向在力矩的作用下發生變化時，將會導致電阻的變化。通過測量電阻的變化，便可探測電流導致的施加於反鐵磁晶格的SOT。以圖8(b)為例，在Jwrite方向上通入「寫電流」，在Jread方向上通入「讀電流」並測量電阻以獲取反鐵磁磁晶格的磁化狀態。圖8(c)則記錄了「寫電流」脈衝對電阻變化的影響。該實驗解決了如何有效地探測並操控反鐵磁中的磁矩的狀態，為反鐵磁存儲技術奠定了基礎。

圖8 反鐵磁體系中的自旋軌道轉矩(a)CuMnAs 晶格和自旋結構圖；(b)通過寫入電流的自旋軌道轉矩改變CuMnAs中的磁結構；(c)讀出信號隨著寫入電流的變化，黑色/紅色標明圖(b)中不同方向的寫入電流；(d)反鐵磁IrMn3中的晶格和自旋結構；(e)不同晶向IrMn3薄膜中的自旋軌道轉矩。

此外，反鐵磁體系中的SOC也可以產生自旋流，進而調控相鄰的磁性層磁矩。同前文提到的重金屬一樣，在反鐵磁IrMn3中同樣存在比較強的SOT。值得強調的是，在非線性反鐵磁材料中，如圖8(d)和(e)所示的IrMn3，其非線性自旋結構也被證明可以產生有效的自旋流。

5 SOT 研究展望

相較於現有的基於對電子電荷操控的信息存儲和處理技術，磁性器件的「無電壓」存儲數據方式在低能耗方面有著巨大的優勢。隨著物理學在磁學領域的深入研究，自旋電子器件(特別是SOT-MRAM 的「寫入」操作)不再需要外磁場，SOT和SOT-MRAM成為了當前熱門研究方向之一。SOT-MRAM 相較於STT-MRAM 來說更具有靈活性，已有大量的商業研究正在聚焦於這種新型器件。SOT-MRAM也很好的規避了STT-RAM 器件中使用很大的電流穿過隧道結產生翻轉磁矩而帶來的耐久性問題：在SOT-MRAM 中，人們可以使用較強的SOT來寫入信息，另外再使用巨磁阻效應來讀取信息。這種方式極大地提高了器件的耐用性。特別是最近幾年，僅僅使用SOT而不使用外磁場來實現翻轉垂直磁化的設想、具有基本的讀、寫操作功能的SOT-MRAMs相繼在實驗上得以實現。這種簡單的層狀結構，卻具有很強的磁性可翻轉性、外加電場可調控性，在磁記憶和存儲等應用方面具有不可估量的工業價值。

SOT的概念已在磁記憶、運算、存儲器件等領域展現出巨大的前景。此外，SOT在低能耗的微波震蕩器和自旋邏輯器件中也具有很大的應用價值。SOT為實現微波震蕩電路提供了一種新的方式。由於其發射頻率可以由電流調控，基於SOT的微波震蕩器通常會擁有超寬的頻率範圍。因此，SOT在無線通信和感應器件領域也有著巨大的應用潛力，比如，空間通信、高速射頻廣播、車輛雷達應用和健康安全領域等等。所有這些全新的技術發展都不斷地在證明一個事實：SOT 為低能耗存儲、記憶、邏輯運算和新型振蕩器提供了一條全新的、令人興奮的途徑。

本文選自《物理》2017年第5期

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