研究背景
隨著信息技術的迅猛發展，傳統電子設備的功耗和性能限制日益引起關注。尤其是在高密度存儲和高速計算領域，降低功耗和提高效率已成為關鍵研究方向。自旋波（或稱為磁振子）作為磁性材料中的基本激發，具備在絕緣體中傳輸自旋角動量的獨特能力，與傳統電子設備中電子運動引起的功耗不同。因此，磁振子設備被認為有潛力解決傳統電子設備面臨的能效瓶頸。磁振子設備的核心是通過磁振子在絕緣體中的傳播來實現自旋傳輸，這樣可以減輕焦耳加熱問題。磁振子在絕緣體中的傳播距離可以達到微米級，且速度極快，這為低功耗和高速自旋電子設備的發展奠定了基礎。然而，盡管磁振子在理論上具有這些優勢，實際應用中仍面臨若干挑戰。例如，目前磁振子設備通常需要外部磁場來實現確定性的磁化切換，這對設備設計和可擴展性提出了額外要求。鑒于此，新加坡國立大學Fei Wang, Guoyi Shi，Hyunsoo Yang等人在“Nature Nanotechnology”期刊上發表了題為“Deterministic switching of perpendicular magnetization by out-of-plane anti-damping magnon torques”的最新論文。在本研究中，作者展示了在WTe2/NiO/FM異質結構中實現的出平面反阻尼磁振子扭矩。這種新型結構利用了WTe2作為自旋電流源，并通過調節電流方向與WTe2晶體軸之間的角度來控制磁振子扭矩。作者通過實驗驗證了這種結構能夠在室溫下實現無場的垂直磁化切換，并將功耗降低至比拓撲絕緣體系統低190倍。此外，通過優化材料和界面，磁振子扭矩的效率可以進一步提高。
研究亮點
1. 實驗首次展示了在WTe2/NiO/FM異質結構中出平面反阻尼磁振子扭矩的存在，并實現了無外場的垂直磁化切換。2. 實驗通過調整電流方向與WTe2晶體軸之間的角度來控制自旋電流和相應的磁振子扭矩，發現：
- 生成的磁振子扭矩強烈依賴于WTe2的晶體對稱性。通過優化電流方向和晶體取向，實現了在室溫下的無場垂直磁化切換。
- 與拓撲絕緣體系統相比，所提出的磁振子設備功耗降低了190倍。
- 實驗觀察到，不同的自旋源層和反鐵磁層的優選晶體取向可進一步增強出平面反阻尼磁振子扭矩。
- 在實驗中，磁振子電流是通過流經自旋源層的電流觸發的，然而其扭矩效率相比電子介導的磁振子有所降低，主要由于磁振子在轉換和傳輸過程中的自旋角動量損失。
- 開發完全依賴磁振子的設備，例如使用磁電多鐵材料生成磁振子，減少功耗。
- 擴展到非易失性磁性隨機存取存儲器（MRAM），將磁振子扭矩集成到垂直磁隧道結中。
- 探討超快磁振子扭矩操作在短脈沖測量、斯格明子運動和基于磁振子的納米振蕩器中的應用。
圖文解讀
圖2： 在WTe2 (8?nm)/NiO (25?nm)/CoFeB異質結構中，垂直磁化的磁振子轉矩驅動翻轉。 圖3： 在WTe2 (8?nm)/NiO (t)/CoFeB中，自旋-軌道力矩的NiO厚度依賴性。 圖4：在PtTe2 (d)/WTe2 (8-d)/NiO (25?nm)/FM中，垂直磁化和高自旋霍爾電導率的無場翻轉。
總結展望
本文的研究首次在WTe2/NiO/FM異質結構中成功展示了出平面反阻尼磁振子扭矩，這一發現突破了傳統的平面內磁振子扭矩應用限制，顯著推動了磁性材料在低功耗、自旋電子學設備中的應用。通過調整電流方向與WTe2晶體軸之間的角度，能夠精確控制自旋電流和磁振子扭矩，這為設計更高效的自旋電子學器件提供了新的思路。其次，本研究揭示了利用多晶反鐵磁NiO層實現無外部磁場的垂直磁化切換的潛力。實驗表明，與傳統拓撲絕緣體系統相比，該異質結構在功耗方面具有190倍的降低，這一成果對發展低功耗、高效能的自旋電子器件具有重要意義。此外，不同自旋源層的應用和優化，結合反鐵磁層中的晶體取向，能夠產生更強的出平面磁振子扭矩，進一步提升器件性能。 本文還提出，通過優化材料和界面設計，可以解決磁振子在轉換和傳輸過程中的自旋角動量損失問題，從而提高磁振子扭矩的效率。這一研究方向為未來開發基于磁振子的高效器件奠定了基礎，尤其是期待在無外部磁場的情況下實現更加高效和可靠的磁化切換。未來，基于磁振子的設備和多鐵材料在短脈沖測量、斯格明子運動及納米振蕩器等應用中的潛力，顯示了磁振子技術的廣闊前景?？傮w而言，本文的研究擴展了磁振子扭矩應用的邊界，為高密度、低功耗的自旋電子器件提供了新的理論依據和技術路徑。Wang, F., Shi, G., Yang, D. et al. Deterministic switching of perpendicular magnetization by out-of-plane anti-damping magnon torques. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01741-y
