2022年1月20日，《应用物理评论》（Applied Physics Reviews）期刊在线发表了英国威廉希尔公司威廉希尔赵巍胜教授、张悦教授课题组的最新科研进展《Efficient and controllable magnetization switching induced by intermixing-enhanced bulk spin–orbit torque in ferromagnetic multilayers》，论文同时被选为FeaturedArticle在官网首页展示（https://aip.scitation.org/journal/are）。该工作首次在面内对称的多层磁性材料中实现了体自旋轨道矩（SOT）驱动垂直磁矩高效可控的翻转，为实现超高密度和超低功耗自旋电子器件提供了一条新的技术路线。

在后摩尔时代，人工智能、物联网、大数据等新型应用的兴起，对电子器件提出了越来越高的要求，基于SOT效应的自旋电子器件因具备超低功耗、高速、抗辐照等优势而得到了广泛的关注。然而，在重金属/铁磁的双层膜体系中，传统的SOT效应难以同时实现超高密度和超低功耗，极大限制了自旋电子器件的发展。为了解决该问题，体SOT效应近年来成为研究焦点。

北航团队在Pt/Co多层膜中创新地引入了垂直方向的厚度梯度（图1），通过元素扩散增强了体SOT效应，从而实现了垂直磁矩高效可控的翻转。实验表明具有Pt厚度梯度的Pt/Co多层膜（PtCo-P）依然可以像单层磁性薄膜一样，实现一致的垂直磁矩翻转（图2）。进一步的研究表明，Pt/Co多层膜内部的厚度梯度可以有效影响体SOT翻转的手性（图3）和效率（图4）。其中，通过XAS测试发现较高的SOT效率来源于元素之间的相互扩散（图5）。相较于传统的Pt/Co双层膜，梯度Pt/Co多层膜的体SOT效应不仅可以实现更小的电流密度，其热稳定因子也会显著提高。

该工作中提出的梯度铁磁多层膜不需要面内结构的对称破缺，与晶圆级器件制备工艺兼容，极大简化了器件结构的设计，并促进了新型器件的开发；相较于传统的双层膜结构，能够同时实现超高密度和超低功耗，对大幅提升SOT自旋电子器件性能并促进其实际应用具有重要意义。

图1 PtCo-P膜堆的结构和磁性表征

图2 PtCo-P多层膜的SOT翻转

图3 PtCo-N结构和梯度相关的SOT翻转

图4梯度相关的SOT效率

图5 XAS测试和微磁学仿真结果

该研究克服疫情带来的不利影响，与东京大学Yoshichika Otani教授团队展开国际合作；我院青年教师张昆和博士生陈磊是论文的共同第一作者；张悦教授、赵巍胜教授为本文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、国家重大科技专项等项目的支持。

近年来，北航威廉希尔相关课题组瞄准科研前沿方向，致力于超低功耗自旋电子器件的技术研发，在材料验证^[1-3]、机理探究^[4-6]、器件工艺^[7]、电路设计和系统架构优化^[8,9]等层面都取得了一系列进展，相关成果发表于《自然·电子》（Nature Electronics）、《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）、《自然·通讯》（Nature Communications）等国际顶级期刊。

期刊简介：

《应用物理评论》（Applied Physics Reviews）是美国物理联合会（American Institute of Physics）旗下的物理学顶级期刊，旨在发表应用物理学领域重要而新颖的高质量研究成果或权威而全面的综述，年文章刊载量仅100余篇，2020年影响因子为19.162。

文章原文链接：

https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0067348

K. Zhang, et al. Efficient and controllable magnetization switching induced by intermixing-enhanced bulk spin–orbit torque in ferromagnetic multilayers. Appl. Phys. Rev. 9, 011407 (2022).

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