轨道转移矩驱动的垂直磁化无外场翻转 | 研究快讯

文章亮点

首次提出并实现了轨道转移矩（orbit-transfer torque, OTT）效应，是继自旋转移矩（spin-transfer torque, STT）、自旋轨道矩（spin-orbit torque, SOT）之后一种实现无需外磁场辅助且高效的垂直磁化翻转的全新策略。

轨道转移矩的物理图像及输运测量结果。左上：在铁磁/非磁异质结中，电流驱动的轨道磁矩极化（绿色箭头）产生轨道转移矩TOTT。轨道转移矩作用于铁磁层的磁矩M，实现无需外磁场的垂直磁化翻转。右上：在具有非零贝利曲率偶极矩D的二维体系中，存在电流诱导的轨道磁矩极化。左下：WTe2/Fe3GeTe2异质结中二阶非线性霍尔效应的角度依赖测量。中下：在WTe2/Fe3GeTe2异质结施加沿着WTe2的a轴的脉冲电流，通过轨道转移矩实现了确定性的垂直磁化翻转。右下：在异质结中施加沿着WTe2的b轴的脉冲电流，由于该方向没有非零的贝利曲率偶极矩，施加电流不能产生轨道转移矩，从而无法实现确定性的磁化翻转。

轨道转移矩驱动的垂直磁化无外场翻转

研究背景

磁性随机存储器(MRAM)是一种高速度、低功耗的非易失性存储器件。要实现MRAM，关键在于实现电流驱动下铁磁层的磁化翻转。目前主要通过奥斯特场、自旋转移矩和自旋轨道矩三种方式来实现磁化翻转。利用电流诱导的奥斯特场实现磁化翻转的器件结构复杂，能耗较高。自旋转移矩则面临读写路径不分离，从而耐用性较差的问题。而基于拓扑表面态、Rashba效应或者自旋霍尔效应的自旋轨道矩则通常面临着与垂直磁化翻转不兼容的问题——而后者正是MRAM器件小型化的关键。要利用自旋轨道矩实现垂直磁化翻转，通常需要特殊的结构设计或者外磁场的辅助。

内容简介

最近，北京大学廖志敏课题组基于固体中布洛赫电子的轨道磁矩，提出并成功展示了利用轨道转移矩实现无需外磁场的垂直磁化翻转。不同于自旋，二维材料中电子的轨道磁矩由于维度的限制而自然地沿着面外方向。他们构筑了WTe2/Fe3GeTe2异质结，薄层WTe2作为非磁层、少层Fe3GeTe2作为具有垂直磁化的铁磁层；利用WTe2中沿着a轴方向的贝利曲率偶极矩，施加电流诱导实现了轨道磁矩极化，轨道转移矩作用于Fe3GeTe2铁磁层，实现了无外磁场下的垂直磁化翻转。

研究意义和重要性

该工作提出的轨道转移矩，作为一种无需外磁场辅助、实现垂直磁化翻转的新策略，将为低功耗、高可靠性、高耐受性MRAM的高密度集成与大规模应用提供一种可行途径。