自旋电子学通过利用电子的自旋维度属性，产生了多种前所未有的新型电子器件。以自旋波或磁振子为核心的自旋电子学新分支的兴起，使人们对稀土铁石榴石等亚铁磁绝缘体（FMI）薄膜特别关注，尤其是具有垂直磁各向异性的稀土铁石榴石薄膜，通过自旋-轨道力矩（SOT）实现其磁矩翻转对新型高性能自旋电子器件的发展更为有利。在常规的非磁重金属（HM）/铁磁异质结构中，具有强自旋-轨道耦合的重金属层可利用自旋霍尔效应和/或界面Rashba-Edelstein效应将面内电荷流转化成自旋流，并将其注入到邻近的磁性层中实现磁矩翻转和信息写入。然而，通过SOT实现垂直磁性层的确定性磁化翻转，需要施加外磁场来打破对称性，这一条件限制了器件的集成化和实际应用。为了实现无外场辅助的磁化翻转，实验上提出了包括制备楔形结构，引入交换偏置或层间耦合等方法提供有效场来打破对称性，但目前这些方法研究大都集中在铁磁金属（FM）体系，实际的实用化应用仍受诸多限制，而亚铁磁绝缘体体系的无场磁化翻转更未被探索和发现。此外，亚铁磁绝缘体的磁化状态信息依赖临近重金属层的电信号读取，该信号相比铁磁金属小2-3个数量级，对其在自旋电子器件中的潜在应用无疑也提出了额外的挑战。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心应用物理中心蔡建旺研究员团队近几年致力于亚铁磁绝缘体(FMI)/非磁重金属(HM)异质结体系自旋电子学方面的研究。最近，博士生柯锦涛，毕林竹等人在蔡建旺老师指导下，成功利用构建FMI/FM/HM复合结构，实现利用电流驱动亚铁磁绝缘体垂直磁矩在零磁场条件下的确定性翻转，电流翻转密度约为1.7×107A/cm2。研究人员先是采用直接在传统的TmIG/Pt体系下引入Co金属插层，研究其对SOT翻转过程的影响。结果显示，具有面内各向异性的Co层和垂直磁化的TmIG之间的层间耦合打破了SOT对称性，实现了TmIG垂直磁矩的无磁场翻转；同时，与TmIG垂直磁化状态相关的反常霍尔读出信号增大了2个数量级，且根据电流与Co层面内易轴方向的不同取向，表现出不同的翻转行为模式：当翻转电流沿Co层易轴方向施加时，TmIG的翻转极性与Co层的面内磁化方向有关；当电流施加方向垂直于Co 层易轴时，TmIG的垂直磁化分量则和Co的面内磁化分量同时发生翻转。上述结果显示了将铁磁金属与铁磁绝缘体氧化物薄膜复合结构的全新性能，解决了铁磁性绝缘体薄膜在自旋电子学应用中的一个瓶颈性问题。

研究人员接着又探索了在TmIG/CoFeB/Cu体系的高效无场磁化翻转。相比前一个工作使用重金属Pt作为自旋源层，该工作则聚焦在由轻金属Cu提供的轨道流实现磁矩的翻转。具体来说，轻金属Cu中的电荷流可通过轨道霍尔效应产生非平衡的轨道流，而面内磁化的CoFeB层则将其转化为自旋流，并对磁性层产生相应的力矩作用。金属磁性层CoFeB还与绝缘层TmIG之间存在界面交换耦合，使TmIG的垂直磁化状态受CoFeB面内磁化方向的影响。该结构不仅能通过较大的反常霍尔电信号读取TmIG的磁化状态，而且打破对称性，实现了不受外磁场磁化历史影响的无场翻转。此外，当使用不同的轨道/自旋流源，包括CuOx、Pt和W来代替Cu层时，在相应的异质结构中都能实现TmIG的相似无场磁化翻转特性。更重要的是相关研究人员发现，从能耗角度，具有高电阻率的重金属Pt、W作为自旋流源来驱动磁化翻转需要更高的能量，而相同厚度下采用轨道流源Cu的能耗只有Pt的1/4。这项工作为使用轨道流来操控绝缘体磁矩提供了新的思路和途径。

以上相关工作分别以“Field-Free Switching and Enhanced Electrical Detection of Ferrimagnetic Insulators Through an Intermediate Ultrathin Ferromagnetic Metal Layer”和“Field-free and energy-efficient switching of a ferrimagnetic insulator through orbital currents of copper”发表在Advanced Materials Interfaces和Advanced Electronics Materials上，博士生柯锦涛和毕林竹分别为两个工作的第一作者，蔡建旺研究员为文章通讯作者。感谢上海同步辐射光源BL07U 线站对XAS测量的支持，以及清华大学教授江万军和博士生白昊提供磁光克尔显微镜方面的测量和支持。该项研究致谢国家自然科学基金项目(No. 58171236)和中国博士后科学基金项目(No.2022M723349)的经费支持。

相关工作链接：

[1]Ke, J., Bi, L., Zhu, Z., Bai, H., Li, G., Hu, C., Wang, P., Zhang, Y., Cai, J.-W., Field-Free Switching and Enhanced Electrical Detection of Ferrimagnetic Insulators Through an Intermediate Ultrathin Ferromagnetic Metal Layer. Adv. Mater. Interfaces 2023, 2300632. https://doi.org/10.1002/admi.202300632

[2]Bi, L.-Z., Ke, J., Bai, H., Li, G., Zhu, Z., Hu, C., Cheng, Y., Wang, P., Jiang, W., Zhang, Y., Cai, J.-W., Field-Free and Energy-Efficient Switching of a Ferrimagnetic Insulator Through Orbital Currents of Copper. Adv. Electron. Mater. 2023, 2300627. https://doi.org/10.1002/aelm.202300627

图1. 沿着TmIG(10)/Co(1.3)/Pt(3)样品的x轴施加电流时的电致翻转结果。(a) SOT翻转的测量结构图。(b)样品在不同面内磁场Hx作用下的SOT翻转回线。(c)零磁场下的电致翻转回线。在SOT测量之前，使用±1000 Oe的磁场沿x轴的正(+x)或负(-x)方向预磁化Co层的磁矩。

图2. 沿着TmIG(10)/Co(1.3)/Pt(3)样品的y轴施加电流时的电致翻转结果。(a) SOT翻转的测量结构图。 (b)样品分别在外加磁场Hy为±100 Oe和0 Oe时的SOT翻转回线。(c)样品在外加磁场Hy从10 Oe增加到50 Oe时的SOT翻转回线。

图3. 样品TmIG(10)/CoFeB(1.5)/Cu(3)/SiO2(5)的电致翻转结果。(a)样品分别在外磁场（上）和零磁场时（下）电流驱动磁化翻转时的MOKE图像。其中，左上图为光学显微镜照片，左下为MOKE的背底信号图像。(b)在零磁场下，施加±16 mA的脉冲电流引起的AHE电阻变化。(c)样品在不同面内磁场Hx作用下的SOT翻转回线。(d)零磁场下的电致翻转回线。在SOT测量之前，使用±8000 Oe的磁场沿x轴的正(+x)或负(-x)方向预磁化CoFeB层的磁矩。

图4. 轨道流驱动磁化翻转的示意图和不同轨道/自旋流源样品的翻转功耗。(a)轨道流驱动磁化翻转的示意图。(b)样品TmIG(10)/CoFeB(1.5)/CuOx(5)和TmIG(10)/CoFeB(1.5)/Cu(3-5)、Pt(3)、W(3)/ SiO2(5)的翻转功耗。