Field-free Deterministic Magnetization Switching Induced by Interlaced Spin-Orbit Torques
基于自旋轨道转矩（SOT）的磁性随机存取存储器（MRAM）由于其超高速和低功耗而被设想为新兴的非易失性存储器。SOT器件中的无场开关模式引起了学术界和工业界的极大兴趣。本文提出了一种新的规则磁性隧道结（MTJ）中的无场确定性磁化开关，该方法利用两个电流顺序通过交错路径，对工艺过程或附加物理效应的要求更低。开关是双极的，因为最终磁化状态取决于电流路径的组合。通过宏自旋和微磁模拟验证了所提出的方案的功能性和鲁棒性。进一步研究了类场力矩和Dzyaloshinskiii-Moriya相互作用（Dzyaloshinskiii-Moriya interaction，Dzyaloshinskii-Moriya）效应的影响。我们提出的方案显示出良好的可扩展性，并有望实现新的数字逻辑，甚至在内存计算平台。
2020-07-02 physics.app-ph
Spin-torque memristors based on perpendicular magnetic tunnel junctions with a hybrid chiral texture
自旋力矩忆阻器是在2009年提出的，它可以为大密度非易失性存储器和神经形态计算提供快速，低功耗和无限的忆阻行为。然而，在单个器件中结合高磁阻、稳定的中间态和自旋极化电流切换的严格要求在物理实现上造成了困难。在这里，我们实验证明了一个纳米级的自旋扭矩忆阻器的基础上的各向异性磁隧道结与CoFeB/W/CoFeB复合自由层结构。它的隧穿磁电阻大于200%，并且可以通过自旋转移矩开关实现忆阻行为。忆阻态通过W原子簇周围的强畴壁钉扎来维持，其中纳米级垂直手性自旋纹理可以通过相反的Dzyaloshinskiii-Moriya相互作用和由两个CoFeB自由层之间的Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida相互作用引起的波动的层间耦合之间的竞争来形成。在该装置中还证明了尖峰定时依赖的可塑性。
2019-11-28 physics.app-ph
Picosecond Spin Orbit Torque Switching
减少能量耗散同时提高计算和存储速度是自旋电子学研究的一个长期挑战。在过去的20年里，飞秒激光器已经成为一种工具，以控制特定磁性材料的磁化在皮秒的时间尺度。然而，在集成电路和存储器中使用超快光学器件将需要重大的范式转变。磁化的超快电控制对于集成系统是更优选的。在这里，我们证明了可靠的和确定性的控制的1 nm厚的Co层的平面外磁化与单一的6 ps宽的电脉冲，诱导自旋轨道转矩的磁化。我们可以监测由于亚皮秒时间尺度上的自旋-轨道扭矩而产生的超快磁化动力学，迄今为止只能通过数值模拟来实现。由于脉冲的持续时间很短，我们进入了一个反直觉的开关状态，其中散热有助于反转。此外，我们估计转换磁化强度所需的能量很低，对于一个（20 nm）^3的电池，预计可以降低到1fJ以下。这些实验证明，自旋电子现象可以利用皮秒的时间尺度上的全磁控制，并应启动一个新的制度的超快自旋力矩的研究和应用。
2020-08-23 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Strain-mediated spin-orbit torque switching for magnetic memory
自旋轨道力矩（SOT）代表了控制磁存储器件中磁化的能量有效方法。然而，确定性地切换垂直存储器位通常需要施加额外的偏置场以破坏横向对称性。在这里，我们提出了一种新的方法，无场确定性的垂直开关使用应变介导的SOT开关方法。应变引起的磁弹性各向异性破坏了横向对称性，并且由此产生的磁弹性破坏是可控的。采用有限元模型和宏自旋模型对应变介导的SOT开关机制进行了数值模拟。结果表明，相对小的电压（${\pm}0.5$ V）以及适度的电流（$3.5 \times 10^{7} A/cm^{2}$）可以产生180°的垂直磁化反转。切换方向（向上或向下）由施加到磁致弹性/重金属/压电异质结构中的压电层的电压极性（正或负）决定。开关速度可达10 GHz。更重要的是，这种控制机制可以潜在地在具有小覆盖区、高耐久性和高隧道磁阻（TMR）读出比的磁性随机存取存储器系统中实现。
2017-12-08 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Spin-orbit torque switching of magnetic tunnel junctions for memory application
自旋轨道力矩（SOT）提供了一个通用的工具来操纵不同类别的材料和设备的磁化使用电流，导致新的自旋电子存储器和计算方法。与作为领先的非易失性存储器技术出现的自旋转移力矩（STT）并行，SOT将电流感应磁开关的范围扩展到接近中央处理单元和非常规计算架构的时钟速度运行的应用。本文综述了SOT的基本特性及其在磁隧道结（MTJ）器件中的应用，MTJ器件是磁阻随机存取存储器（MRAM）的基本单元。在第一部分中，我们阐述了驱动纳米结构中的SOT和磁化反转的物理机制。在第二部分中，我们重点介绍了SOT-MTJ单元。我们讨论的MTJ的解剖材料和堆栈的发展，总结的SOT开关的优点的数字，审查垂直磁化MTJ的无场操作，并提出选择结合SOT，STT和电压门辅助开关。在第三部分中，我们考虑SOT-MRAM的电路集成过程的角度来看，介绍了缩放和性能的考虑，以及宏观设计架构。因此，我们桥梁的基本描述SOT驱动的磁化动力学与面向应用的角度来看，包括设备和系统级的考虑，目标和挑战。
2022-07-25 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Pulse Shaping to Mitigate the Impact of Device Imperfections in Field-Free Switching Using Combined Spin-Orbit and Spin-Transfer Torques
Université Grenoble Alpes, CEA, CNRS, Grenoble-INP, SPINTEC（格勒诺布尔阿尔卑斯大学、法国原子能和替代能源委员会、法国国家科学研究中心、格勒诺布尔国立理工学院、自旋电子学中心）；Antaios（安泰奥斯）
通过脉冲整形策略减轻自旋转移矩引起的回跳和不对称性，降低写入错误率，提高无场切换的鲁棒性。
2026-04-24 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Sub-nanosecond spin-torque switching of perpendicular magnetic tunnel junction nanopillars at cryogenic temperatures
自旋转移磁性随机存取存储器对于需要持久、快速、低能耗和高器件密度的低温应用具有重要意义。在这里，我们报告的低温纳秒持续时间的自旋转移开关特性的垂直磁隧道结（pMTJ）纳米柱器件（直径40至60 nm），并将其与它们的室温性能进行对比。有趣的是，在固定的脉冲电压下，特征开关时间随温度而减小，与宏观自旋模型预测相反，开关时间的最大减少发生在室温和150 K之间。开关能量随着温度的降低而增加，但在4K下仍然非常有利地与其他类型的自旋转移器件相比，每个开关所需的能量小于300 fJ。写入错误率（WER）测量结果显示出高度可靠性（在4 K下，4 ns脉冲时，WER <= 5x 10 ^-5），这表明pMTJ器件在低温应用中的前景以及进一步优化器件的途径。
2019-10-01 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Implementing Multiple Modes of the Perpendicular Magnetization Switching within a Single Spin Orbit Torque Device
自旋轨道矩（SOT）技术被认为是下一代磁性随机存储器（MRAM）的最有前途的技术之一。到目前为止，SOT已被广泛用于诱导各种模式的磁化翻转。然而，将多种磁化切换模式集成在一起是具有挑战性的。在这项工作中，我们提出了一种方法，实现单极和双极开关的垂直磁化在一个单一的SOT设备。开关模式可以很容易地通过调整施加电流的幅度来改变。我们表明，类场转矩在开关过程中起着重要的作用。类场转矩在单极切换的情况下引起磁化的进动，而在双极切换的情况下，类场转矩有助于产生有效的z分量转矩。此外，还讨论了关键参数对开关模式的影响。在不久的将来，我们的建议可以用来设计新颖的可重构逻辑电路。
2021-07-13 physics.app-ph
Importance sampling for thermally induced switching and non-switching probabilities in spin-torque magnetic nanodevices
自旋转移力矩磁阻随机存取存储器是非易失性存储器市场中的潜在变革性技术。它的可行性部分取决于一个人的能力，可预测地诱导或防止切换;然而，热波动会导致写入和读取过程中的小但重要的错误。使用朴素的蒙特卡罗模拟计算磁性纳米器件的这些非常小的概率基本上是不可能的，因为它们的统计收敛速度很慢，但是方差减小技术可以提供一种有效的方法来提高它们的效率。在这里，我们提供了一个例子，说明如何重要性采样可以有效地用于估计低读写软错误率的宏自旋和耦合自旋系统。
2019-01-12 cond-mat.mes-hall math.PR math.ST
Threshold current of field-free perpendicular magnetization switching using anomalous spin-orbit torque
本文解析推导了利用反常自旋轨道矩实现无外场垂直磁化翻转的阈值电流，系统研究了各参数对阈值电流和能耗的影响，并证明亚阈值电流可等效产生可调交换偏置场，为新型自旋电子器件设计提供依据。
2023-04-06 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Spin-orbit-torque MRAM: from uniaxial to unidirectional switching
自旋-轨道力矩具有超快写入能力和高可靠性，被认为是制备下一代磁性随机存取存储器的一种很有前途的选择。然而，当缩小小区大小时，三终端设置可能具有挑战性。特别地，热稳定性是重要的问题。在这里，我们证明了电流脉冲引起的垂直交换偏置可以显着减轻热稳定性的关注。交换偏置方向的切换是由自旋-轨道力矩引起的，当电流脉冲通过插入IrMn反铁磁层的Pt/Co系统时。通过控制电流脉冲诱导的交换偏置，实现了单向各向异性态之间的零场自旋-轨道-矩切换，并有效抑制了磁矩的热扰动.自旋-轨道矩机制提供了一种创新的方法来产生和控制的交换偏置的电气手段，这使我们能够实现新的开关机制的高度稳定的垂直存储单元。
2017-06-06 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Spin-orbit torque: Moving towards two-dimensional van der Waals heterostructures
使用电流或栅极偏置来操纵磁特性是未来高影响纳米自旋电子学应用的关键，例如自旋阀读取头、非易失性逻辑和随机存取存储器。目前的自旋转移矩磁开关技术需要高的电流密度，而门可调磁性材料，如铁磁半导体和多铁性材料仍然远离实际应用。最近，磁开关诱导的纯自旋电流使用自旋霍尔和Rashba效应在重金属中，称为自旋轨道转矩（SOT），已成为设计下一代磁存储器的候选人与低电流密度。最近发现的拓扑材料和二维（2D）范德华（vdW）材料提供了探索具有有趣特性的多功能3D-2D和2D-2D异质结构的机会。在这篇综述中，我们介绍了实现SOT纳米器件的新兴方法，包括评估SOT效率的技术，以及在此类应用中使用2D拓扑材料和VDW材料的机会和挑战。
2021-08-24 physics.app-ph
Large enhancement of spin-orbit torques under a MHz modulation due to phonon-magnon coupling
本研究发现，在MHz调制频率下，由于声子-磁振子耦合引起的额外磁振子激发，自旋轨道力矩（SOT）显著增强约三倍，有望降低SOT-MRAM的写入电流。
2023-12-01 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Field-free spin-orbit torque switching enabled by interlayer Dzyaloshinskii-Moriya interaction
在无场条件下使用自旋电流可切换的磁化结构可以潜在地应用于自旋轨道扭矩磁性随机存取存储器已经开发了几种结构;然而，迫切需要具有简单堆叠结构和MRAM兼容性的新结构。在此，垂直自旋转移矩MRAM中的典型结构，观察到Pt/Co多层膜及其具有垂直磁各向异性的合成反铁磁对应物在相邻磁性层之间具有固有的层间手性相互作用，即层间Dzyaloshinskiii-Moriya相互作用（Dzyaloshinskiii-Moriya interaction，Dzyaloshinski-Moriya interaction）效应。此外，使用平行于层间介电层的本征向量的电流，由于层间介电层引入的额外的介电层断裂，我们在没有磁场的情况下切换了两种结构的垂直磁化。这种在Pt/Co多层膜及其合成的反铁磁结构中实现的SOT开关方案可能为实际的垂直SOT-MRAM和其他SOT器件开辟一条新的途径。
2022-05-13 physics.app-ph
Eigenvalue-based micromagnetic analysis of switching in spin-torque-driven structures
我们提出了一种基于本征值的方法来研究磁性纳米结构中由自旋电子激发驱动的磁化动力学，如自旋转移矩和自旋轨道矩。该方法表示的正常振荡模式（本征态）与相应的复杂的本征频率的系统动力学。动力学是由少量的主动本征态驱动的，并且通常仅考虑单个本征态就足够了。我们开发了一个微扰理论，提供了半解析的动态解决方案，通过使用本征态的情况下，阻尼和自旋电子激发作为基础。该方法提供了重要的见解动态在这样的系统，并允许解决几个困难，在他们的建模，如提取磁随机存取存储器（MRAM）的开关电流和理解开关机制。我们表明，所提出的方法直接预测的临界开关电流，即，开关电流无限长的时间。该方法还提供了开关动态的解决方案，允许在有限的开关时间内获得开关电流，假设系统对称性被破坏，例如，通过倾斜偏振器，使得通过有限脉冲的切换是可能的。
2022-03-24 physics.app-ph
High-performance orbital-torque magnetic memory on the 300-mm platform
Zhejiang Hikstor Technology Co. LTD.（浙江海克存储科技有限公司）；Institute of Quantum Materials and Devices（天津工业大学电子与信息工程学院量子材料与器件研究所）；School of Electronic and Information Engineering, Tiangong University（清华大学物理系低维量子物理国家重点实验室）；State Key Laboratory of Low-Dimensional Quantum Physics and Department of Physics, Tsinghua University（浙江大学物理学院量子物质中心）；Center for Quantum Matter, School of Physics, Zhejiang University
本研究在300毫米平台上利用Ti/W双层结构的轨道力矩，实现了具有182%巨隧穿磁阻、纳秒响应和超低写入能耗的高性能磁性存储器，为高能效MRAM提供了新路径。
2026-09-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Write asymmetry of spin-orbit torque memory induced by in-plane magnetic fields
写入不对称性是磁性随机存取存储器（MRAM）中的一个基本问题，写入不对称性是由于磁化的自然随机行为而导致的高到低和低到高电阻切换的显著不同的写入电流。对于高性能自旋转移力矩（STT）MRAM，可以通过精确控制原子级薄磁性多层膜或通过在电路级设计中引入补偿技术来消除它，而对于自旋轨道力矩（SOT）MRAM，它尚未得到解决。在这里，我们系统地研究了SOT-MRAM的写入不对称性作为施加的磁场（H）的函数，并证明了写入电流本质上是不对称的，由于不同的SOT效率为高到低和低到高的切换。此外，我们发现，SOT效率是非常敏感的H和写电流之间的倾斜角，这可以通过H调谐，以实现对称的SOT开关。这些结果为SOT器件的设计提供了一个额外的指导原则，并建议通过调整无场SOT-MRAM结构中引入的有效磁场来消除写入不对称性。
2021-10-23 physics.app-ph
Toggle Spin-Orbit Torque MRAM with Perpendicular Magnetic Anisotropy
自旋轨道力矩（SOT）是一种很有前途的磁性随机存取存储器（MRAM）开关机制，因为它可以提高开关速度和能量效率。特别感兴趣的是开发具有垂直磁各向异性（PMA）的SOT-MRAM器件，以便利用与平面内磁各向异性相反的PMA可实现的更大的密度和热稳定性。然而，SOT和PMA之间的正交性阻止了确定性的定向切换，而不需要破坏对称性的附加器件组件，例如外部磁场或复杂的物理结构;这些组件不仅使制造复杂化，而且对于制造和施加的切换电流的变化也不鲁棒。因此，这封信提出了一个简单的SOT-MRAM结构与PMA中，确定性的触发开关，而不需要额外的设备组件实现。此外，这种切换PMA SOT-MRAM被示出为比用于定向PMA SOT-MRAM的先前方法更鲁棒得多，对所施加的切换电流幅度具有大于50%的容限。这封信描述了物理结构和切换开关机制，提供了微磁模拟证明其可行性，并评估了材料参数的鲁棒性和公差，以指导优化器件的制造，这将启动第三代MRAM。
2019-05-03 cond-mat.mes-hall cs.ET physics.app-ph
Harnessing Orbital Hall Effect in Spin-Orbit Torque MRAM
该研究在Ru、Nb、Cr等OHE层上构建PMA [Co/Ni]₃叠层，实验证明Ru可显著提升阻尼类扭矩效率并降低翻转电流与功率。
2024-04-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Graded Orbital Interface Engineering for Enhanced Damping-like Torque Efficiency
Nanyang Technological University（南洋理工大学）
本研究通过引入可控RuPt混合层将Ru/Pt界面从突变调整为梯度，发现0.26 nm混合厚度使类阻尼转矩效率提升15%（对比Pt参考提升70%），归因于轨道传输增强与退相干竞争，为优化轨道电子学器件提供新途径。
2026-10-07 physics.app-ph
Back-hopping in Spin-Transfer-Torque switching of perpendicularly magnetized tunnel junctions
我们分析了垂直磁化隧道结中自旋矩引起的磁化翻转中的回跳现象。该分析是基于单次拍摄的时间分辨电导测量的脉冲引起的回跳。研究几种材料变体表明，反向跳跃是隧道结的名义上固定系统的一个特征。发现反向跳跃通过两个顺序的切换事件进行，这导致接近于但不同于常规并联状态的电导的最终状态P'。P'态在剩磁时不存在。如果电流被移除，它通常会松弛到传统的反平行状态。P'状态涉及固定层的唯一自旋极化部分的切换。文献的分析表明，只有当自旋极化层太弱耦合到固定系统的其余部分时，才会发生回跳，这证明了在自旋转移矩磁性随机存取存储器中凭经验实施的回跳缓解策略的后验性。
2020-06-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Iridium Enabled Field-free Spin-orbit Torque Switching of Perpendicular Magnetic Tunnel Junction Device
利用自旋霍尔效应产生的自旋-轨道转矩（SOT）写入磁性位为超快和低功率磁阻随机存取存储器（MRAM）创造了新的可能性。对于垂直MRAM，需要额外的面内场来打破垂直存储层的确定性SOT写入的对称性。虽然方案已经在垂直层的无外场SOT开关中得到了证明，但实际上将它们与垂直MTJ集成似乎仍然具有挑战性。在这里，我们提出了实验演示的自旋轨道转矩（SOTs）开关的垂直磁隧道结（MTJ）器件，而不施加外部磁场。Ir层用于经由自旋霍尔效应注入纯自旋电流和将面内交换场介导到MTJ的垂直自由层的双重目的。稳健的无场SOT开关与脉冲写路径电流被证明为各种MTJ尺寸范围从50 nm到500 nm。研究了MTJ尺寸和脉宽对临界开关电流的影响。结合微磁模拟进行开关动力学以及开关上的热效应提供深入的分析。
2019-11-12 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Pulse Shaping Strategies for Efficient Switching of Magnetic Tunnel Junctions by Spin-Orbit Torque
本文研究了由自旋轨道力矩驱动的垂直磁性隧道结的脉冲整形策略，发现与方波脉冲相比，预热-成核-低幅完成的三阶段整形脉冲可在不影响切换概率和速度的前提下将写入能量降低50%。
2024-09-24 physics.app-ph
Reconfigurable classifier based on spin torque driven magnetization switching in electrically connected magnetic tunnel junctions
本研究提出基于电连接磁隧道结网络的可重构分类器，通过自旋转矩驱动磁化翻转分类输入电流幅值编码信息，实验证明三结网络的口语元音分类识别率优于同参数量软件神经网络，为大规模神经形态网络发展提供支撑。
2024-07-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Field-free perpendicular magnetization switching through domain wall motion in Pt/Co/Cr racetracks by spin orbit torques with the assistance of accompanying Joule heating effect
具有垂直磁各向异性（PMA）的重金属/铁磁层在赛道存储器和非易失性磁性随机存取存储器中具有高密度信息存储的潜在应用。在这些器件中，信息的写入和擦除通过畴壁（DW）运动和确定性磁化切换经由电流产生的自旋轨道力矩（SOT）在面内偏置场的帮助下打破对称性来进行。当垂直磁化的切换由SOT产生的电流控制而没有面内偏置场时，可以获得能量效率的改善。在这里，我们报告的可逆电流驱动的磁化翻转通过DW运动在Pt/Co/Cr三层与PMA在室温下由于形成的同手性Neel型域，其中存在一个面内有效的Dzyaloshinskiii-Moriya相互作用场。完全确定性的磁性磁化切换在这三层是基于从一个专门的设计的Pt/Co/Cr结构与两个重金属Pt和Cr，显示相反的符号的自旋霍尔角的SOTs的增强。我们还证明了同时伴随的焦耳热效应也起着关键作用，通过减少传播场的无场磁化翻转。
2017-09-13 physics.app-ph
Use of Magnetoresistive Random-Access Memory as Approximate Memory for Training Neural Networks
利用嵌入式非易失性存储器（诸如自旋扭矩存储器（ST-MRAM））实现突触权重的硬件神经网络是低能量人工智能的主要领导者。在这项工作中，我们提出了一个近似的存储方法，他们的记忆。我们表明，这种策略授予有效的控制位出错率通过调制的编程脉冲幅度或持续时间。考虑到设备的可变性问题，我们评估了节能，并展示了在训练硬件神经网络时它们是如何转换的。以图像识别为例，仅损失1%的识别性能就可以节省74%的编程能量。
2018-10-25 cs.ET physics.app-ph
A novel compound synapse using probabilistic spin-orbit-torque switching for MTJ based deep neural networks
模拟电子非易失性存储器模仿突触操作正在探索的神经形态计算系统的实现。由随机二进制元素组成的复合突触是模拟记忆突触的替代方案，以实现多级记忆操作。在现有的二进制存储器技术中，基于磁性隧道结（MTJ）的磁性随机存取存储器（MRAM）技术已经成熟到商业化的程度。对于这项工作更重要的是，随机性对于MTJ开关物理是自然的，例如被称为p位的器件，其模仿二进制随机神经元。在这篇文章中，我们实验证明了一种新的复合突触，使用随机自旋轨道力矩（SOT）开关的合奏纳米磁铁，位于一个共享的自旋霍尔效应（SHE）材料通道，即钽。通过使用适当选择的脉冲方案，我们能够证明线性增强和抑郁症的突触，所需的许多神经形态架构。除了这项实验工作之外，我们还在基于SOT-MRAM的784*200*10深度信念网络（DBN）上进行了电路模拟，该网络由基于p位的神经元和复合突触组成。MNIST模式识别被用来评估系统的性能，我们的研究结果表明，识别错误率显着降低时，可以实现使用我们的增量脉冲方案，而不是非线性增强和抑郁症时，采用相同的脉冲。
2019-10-01 cond-mat.dis-nn physics.app-ph
Electrical control of magnetism by electric field and current-induced torques
本文综述电场与电流诱导转矩调控磁学的最新进展，梳理基础概念、二者结合方式及相关器件应用，指出该领域基础研究与技术协同推进的发展脉络并给出未来展望。
2023-11-20 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph quant-ph
