2020年11月30日，北京航空航天大學集成電路科學與工程學院趙巍勝團隊於《自然·電子學》（Nature Electronics）在線發表了題為“Exchange bias switching in an antiferromagnet/ferromagnet bilayer driven by spin-orbit torque”的研究成果。該工作利用自旋軌道矩（SOT）實現了反鐵磁/鐵磁垂直磁各向異性異質結中交換偏置場的翻轉，利用X射線磁圓二色性實驗、極化中子反射實驗和微磁模擬闡釋了相關物理機理，為理解交換偏置作用和設計新型自旋電子器件提供了新的思路。集成電路科學與工程學院講師彭守仲和2017級博士生朱道乾為該論文的共同第一作者，趙巍勝教授是唯一通訊作者，北京航空航天大學為第一單位，美國加州大學洛杉磯分校Kang L. Wang教授和Hao Wu博士、美國國家標準與技術研究院Alexander J. Grutter和Dustin A. Gilbert及美國勞倫斯伯克利國家實驗室Padraic Shafer等人參與了該工作。

　　近年來，以自旋轉移矩磁隨機存儲器（STT-MRAM）為代表的自旋電子學受到學術界和工業界廣泛關注。STT-MRAM被廣泛用於替代物聯網、可穿戴設備等應用場景中的嵌入式Flash。然而，STT-MRAM存在寫入速度和耐久性瓶頸，難以替代靜態隨機存儲器（SRAM）。基於自旋軌道矩的新型數據寫入方法有望克服上述問題，其中SOT+STT及SOT+電壓調控磁各向異性（VCMA）寫入方法具有高速度、低功耗等特點，被列入格羅方德公司的磁存儲器發展技術路線圖。此外，采用拓撲及二維材料等新型材料有望進一步降低功耗，也是當前國際學術前沿關注的重要研究方向。

　　通過自旋軌道矩調控反鐵磁/鐵磁異質結中的磁矩和交換偏置場對發展高性能自旋電子器件（如磁隧道結和磁傳感器等）具有重要意義，是當前自旋電子學領域的研究熱點。趙巍勝教授團隊深入研究了IrMn/CoFeB/MgO垂直磁各向異性異質結，利用反鐵磁材料IrMn產生的自旋軌道矩實現了IrMn/CoFeB界麵交換偏置場的有效調控[5: Nat. Electron. 2020]。進一步研究發現，翻轉交換偏置場的閾值電流密度高於翻轉鐵磁層磁矩的閾值電流密度，通過控製自旋軌道矩電流的大小和方向，可以單獨調控鐵磁層磁矩和交換偏置場方向，從而可使該異質結在四個狀態之間轉換，如圖1所示。此外，X射線磁圓二色性實驗、極化中子反射實驗及微磁仿真研究表明，該體係下的交換偏置場源於IrMn/CoFeB界麵未補償的反鐵磁釘紮磁矩，自旋軌道矩對交換偏置場的翻轉源於這些未補償釘紮磁矩的翻轉，如圖2所示。本工作揭示了反鐵磁/鐵磁異質結中電學調控交換偏置場的物理機理，通過與隧穿磁阻效應結合，可以實現全新的數據存儲和數據寫入方法，有望進一步提高數據存儲密度、降低數據寫入功耗，具有重要意義。

圖1：自旋軌道矩驅動IrMn/CoFeB異質結在四個狀態之間轉換。a. 狀態轉換示意圖。b-h.利用自旋軌道矩同時翻轉鐵磁層磁矩和交換偏置場（b-d）、僅翻轉鐵磁層磁矩（e）、僅翻轉交換偏置場（f-h）。

圖2：自旋軌道矩驅動交換偏置場翻轉的微磁仿真結果。a. 反鐵磁/鐵磁界麵結構示意圖。b.初始狀態的磁滯回線。c. 施加不同自旋軌道矩電流後的磁滯回線。d,e. 不同自旋軌道矩電流驅動下的鐵磁層磁矩隨時間變化情況。f. 自旋軌道矩電流驅動鐵磁層磁矩和交換偏置場翻轉結果。

　　該工作獲得國家自然科學基金、高等學校學科創新引智計劃、核高基國家科技重大專項、北航合肥創新研究科研項目等項目的支持。