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
Microwave magnetic field modulation of spin torque oscillator based on perpendicular magnetic tunnel junctions
研究了基于具有垂直磁化自由层的磁性隧道结（MTJ）的自旋力矩振荡器（STO）信号调制。在MTJ制造过程中产生磁场感应回路，这使得能够在STO操作期间施加微波场。探讨了微波磁场对频率调制的影响，其频率调制频率可达3 GHz，在高数据速率通信技术中具有潜在的应用前景。此外，电感环用于STO信号的自同步，其在场锁定后表现出显着的改善线宽和振荡功率。
2019-09-20 physics.app-ph
Field-Free Spin-Orbit Torque driven Switching of Perpendicular Magnetic Tunnel Junction through Bending Current
针对垂直磁化SOT-MTJ开关需外加磁场的应用限制，提出通过塑形SOT通道使电流弯曲产生非均匀SOT的无场开关方案，实验验证了纳米尺度器件的开关效果，该方案可扩展、易兼容制造工艺。
2023-05-06 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Faster, farther, stronger: spin transfer torque driven high order propagating spin waves in nano-contact magnetic tunnel junctions
短波长交换主导的传播自旋波将使磁振子器件能够在更高的频率和更高的数据传输速率下工作。1虽然基于GMR的磁性纳米接触是传播自旋波的高效注入器2，3，但产生的波长是纳米接触直径的2.6倍4，并且电信号强度对于实际应用来说仍然太弱。在这里，我们展示了纳米接触的磁性隧道结叠层中的自旋波产生，并观察到大的离散频率阶跃与迄今为止被忽略的波长为120和74 nm的二阶和三阶传播自旋波的可能性一致，即远小于150 nm的纳米接触。这些高阶传播的自旋波不仅使磁振子器件能够在更高的频率下工作，而且还大大增加了它们的传输速率和自旋波传播长度，两者都与更高的群速度成比例。
2017-12-05 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
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
Magnetodynamics in orthogonal nanocontact spin-torque nano-oscillators based on magnetic tunnel junctions
我们证明了场和电流控制的磁动力学在nanocontact自旋扭矩纳米振荡器（STNOs）的基础上正交磁隧道结（MTJ）。系统地分析了其微波特性（频率$f$、线宽$Δf$、功率$P$和频率可调谐性$df/dI$）及其物理根源--垂直磁各向异性（PMA）、类阻尼和类场自旋转移矩（STT）和压控磁各向异性（VCMA）。这些器件具有几个有利的特性：高发射频率（$f> 20$ GHz）、高频可调谐性（$df/dI=0.25$ ~GHz/mA）和零场工作（$f\sim 4$ GHz）。对$f(H, I)$的详细研究表明，$df/dI$主要受大的VCMA（287 fJ/（V $\cdot$ m））控制，而STT的作用可以忽略不计。
2019-08-02 physics.app-ph
Switchable molecular functionalization of an STM tip: from a Yu-Shiba-Rusinov tip to a Kondo tip
在这项工作中，我们制作和表征的功能化超导（SC）Nb尖端的扫描隧道显微镜（STM）。尖端用四氰基醌二甲烷分子（TCNQ）官能化，该分子从尖端接受电荷并产生磁矩。因此，在扫描隧道谱（STS）中，尖锐的，偏置对称的子带隙状态识别为Yu-Shiba-Rusinov（YSR）的束缚态出现对金属gr/Ir（111）样品的无特征的态密度。虽然与SC尖端的磁性杂质的耦合制度取决于分子的初始吸收配置，超导尖端和带电的TCNQ分子之间的相互作用强度可以通过调节尖端样品的距离可逆地控制。从一个耦合制度的控制过渡到其他允许我们验证的两个竞争的多体效应的功能化尖端的能量尺度之间的关系。用磁场淬灭Nb尖端的SC态，从由YSR束缚态主导的尖端突然切换到近藤尖端。
2022-05-24 cond-mat.supr-con physics.app-ph
Magnetization dynamics modulated by Dzyaloshinskii-Moriya interaction in the double-interface spin transfer torque magnetic tunnel junction
目前，双界面MTJ已经被开发用于在小技术节点中增强热稳定性屏障。由于重金属/铁磁体结构的使用，在此类器件中不可避免地存在Dzyaloshinskiii-Moriya相互作用（Dzyaloshinskiii-Moriya interaction，Dzyaloshinskii-Moriya interaction）。先前的研究已经证明了双折射对传统的单界面自旋转移力矩（STT）MTJ的不利影响。在这项工作中，我们将证明，在双界面STT-MTJ中，可以几乎消除的有害影响。这一结论归因于Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida（RKKY）相互作用的抑制效应。根据理论模型和微磁学模拟结果，分析了其详细的机理。我们的工作突出了适当控制双界面STT-MTJ的两个自由层中的介电常数的重要性。
2019-07-08 physics.app-ph
Orbital and Spin-Orbit Torque Interplay in Ta/W-based Magnetic Tunnel Junctions with Vertical Non-local Switching
Univ. 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、自旋传输与存储中心）
研究Ta/W双层膜中轨道霍尔效应对自旋-轨道扭矩的增强作用，并展示其在垂直非局域翻转SOT-MTJ器件中的应用。
2026-05-26 cond-mat.mes-hall 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
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
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 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
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
Smart Material Implication Using Spin-Transfer Torque Magnetic Tunnel Junctions for Logic-in-Memory Computing
智能材料蕴涵（SIMPACK）逻辑最近已经被提出用于基于非易失性电阻存储器器件的节能逻辑存储器（LIM）架构的设计。SIMPLE逻辑是通过在传统IMPLE方案中增加一个比较器来实现的。这允许仅在实际需要的情况下执行初步的读取操作和因此的设置操作。这项工作探讨了SIMPLE逻辑方案使用纳米级自旋转移矩磁隧道结（STT-MTJ）器件。STT-MTJ的SIMPLE架构的性能进行了分析，通过改变负载电阻和施加的电压来实现读取和设置操作，同时还调查温度对电路工作的影响。得到的结果表明，现有的出错率和能量消耗之间的折衷，这可以有效地管理通过适当地设置负载电阻和施加的电压的值。此外，我们的分析证明，通过在比较器的输入端处的与绝对温度成比例（PTAT）的参考电压来跟踪MTJ特性的温度依赖性有利于减轻温度变化下的可靠性退化。
2022-05-19 cs.ET physics.app-ph
Stochastic p-Bits Based on Spin-Orbit Torque Magnetic Tunnel Junctions
本文比较不同 SOT 切换方案的 HB-MTJ 随机 p-Bit，发现 Y 型 SOT-MTJ 的切换概率对电压最平缓、随机性可调且抗扰，生成数经 XOR 后通过 NIST SP800-22。
2023-06-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Towards mutual synchronization of serially connected Spin Torque Oscillators based on magnetic tunnel junctions
本文实验研究垂直磁化磁性隧道结自旋扭矩振荡器的注入锁定与双结串联同步机制，并结合耦合模型仿真确定同步容差及性能改进路径。
2025-02-14 cs.NE physics.app-ph
One nanometer HfO$_2$-based ferroelectric tunnel junctions on silicon
在铁电材料中，自发对称性破缺导致可切换的电极化的强度，这为非易失性存储器提供了重要的前景。特别是，铁电隧道结（FTJ）已经成为一种新的电阻开关存储器，它利用极化相关的隧道电流穿过薄的铁电势垒。在这里，我们展示了FTJ与CMOS兼容的Zr掺杂HfO $_2$（Zr：HfO $_2$）铁电势垒的厚度仅为1 nm，生长在硅原子层沉积。这些1 nm Zr：HfO $_2$隧道结表现出大的极化驱动电阻（19000 $\%$），这是HfO $_2$基FTJ的最大值。此外，由于仅1 nm铁电势垒，这些结在低读取电压下提供大的隧道电流（> 1A/cm $^2$），比所报道的较厚的基于HfO $_2$的FTJ大几个数量级。因此，我们的原理验证演示提供了一种方法，同时克服原型FTJ的三个主要缺点：硅兼容的铁电体，大电阻，高速操作的大读取电流。
2020-07-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Octupole-driven spin torque switching of antiferromagnetic tunnel junctions
Northwestern University（西北大学）；University of Nebraska, Lincoln（内布拉斯加大学林肯分校）；Politecnico di Bari（巴里理工大学）；Cornell University（康奈尔大学）；Purdue University（普渡大学）；Western Digital Corporation（西部数据公司）；The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）；University of Messina（墨西拿大学）
本文报道了反铁磁隧道结中八极矩驱动的自旋转移矩（OTT）效应，实现了PtMn3|MgO|PtMn3结的电流诱导切换，室温TMR达363%，为反铁磁自旋电子学提供新平台。
2026-09-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Observation of Magnetic Droplets in Magnetic Tunnel Junctions
磁液滴是一类高度非线性的磁动力学孤子，在纳米接触自旋矩纳米振荡器中可以成核和稳定，极大地提高微波输出功率。在这里，我们实验证明磁性隧道结（MTJ）中的磁性液滴。与铁磁共振模式相比，液滴成核伴随着超过300倍的功率增加。液滴的成核和稳定化归因于全垂直MTJ中的双CoFeB自由层结构，其提供了低的Zhang-Li扭矩和高的钉扎场。我们的研究结果使更好的电灵敏度在液滴的基础研究，并表明液滴可以利用在MTJ为基础的应用。
2020-12-10 physics.app-ph
Impact of intergrain spin transfer torques due to huge thermal gradients on the performance of heat assisted magnetic recording
热辅助磁纪录（HAMR）是一种新技术，它在写入过程中使用临时近场激光加热介质来增加硬盘驱动器的存储密度。通过使用嵌入在写头中的等离子体天线，在记录介质中产生极高的热梯度（高达10 K/nm）。现有技术HAMR介质由FePtX有序合金的晶粒组成，所述FePtX有序合金的晶粒表现出由绝缘晶界分隔的高垂直各向异性。在等离子体天线附近，介质中两个8 nm宽的相邻晶粒之间的温差可以达到80 K，代表跨越晶界的~ 40 K/nm的巨大热梯度。在自旋电子学领域，已经研究了这种具有弱得多的热梯度（~ 1 K/nm，已经被认为是非常大的）的情况。在那里，它表明，由于热梯度非常大的自旋转移扭矩可以出现在磁性隧道结，甚至可以产生磁化切换。考虑到HAMR介质中由绝缘晶界分开的两个相邻晶粒可以被视为磁性隧道结，并且HAMR中的热梯度比常规自旋电子学中存在的热梯度大一到两个数量级，可以预期这些热扭矩对磁化切换动态特性以及因此对HAMR记录性能的主要影响。本文结合理论、实验和记录过程的微磁学模拟，对介质晶界隧穿电子的极化进行了研究。它示出的热面内扭矩可以有不利的影响上的记录性能，有利于反平行相邻晶粒之间的磁性对齐在介质冷却。介质设计的影响进行了讨论，以限制这些热扭矩的影响。
2017-12-08 physics.app-ph
Bayesian Reasoning Enabled by Spin-Orbit Torque Magnetic Tunnel Junctions
Institute of Physics, University of Chinese Academy of Sciences, Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学 中国科学院物理研究所）；Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学 材料科学与光电技术学院）；Songshan Lake Materials Laboratory（松山湖材料实验室）；Physical Science and Engineering Division, King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)（阿卜杜拉国王科技大学 物理科学与工程学院）
本文提出利用自旋轨道矩磁性隧道结实现贝叶斯网络推理，通过概率前向传播神经元网络和逐点训练算法降低存储与预处理开销，并构建医疗诊断系统验证其在人工概率神经网络中的应用潜力。
2025-04-11 cs.AI physics.app-ph
High-Frequency Switching in Superparamagnetic Magnetic Tunnel Junctions by Enhancing Damping
Department of Electrical and Computer Engineering, University of Minnesota（明尼苏达大学电气与计算机工程系）
通过增强阻尼实现超参数磁隧道结的高频切换，发现VCEC比STT更适合高频应用。
2026-01-15 physics.app-ph
Bipolar electric field switching of perpendicular magnetic tunnel junctions through voltage controlled exchange coupling
利用双极电场开关的垂直磁性隧道结（p-MTJ）在节能存储器和逻辑器件中具有广泛的应用。电压控制的磁各向异性通过电场效应线性地降低铁磁层的能垒，并且仅以单极行为有效地切换p-MTJ。在这里，我们展示了一个双极电场效应开关的100纳米的p-MTJ与合成的反铁磁自由层通过电压控制的交换耦合（VCEC）。开关电流密度约为1.1x10^5 A/cm^2，比最好的自旋转移力矩器件低一个数量级。理论结果表明，电场诱导合成反铁磁自由层发生铁磁-反铁磁交换耦合相变，产生类场层间交换耦合力矩，导致p-MTJ的双向磁化翻转.初步的基准测试模拟估计，VCEC耗散的数量级较低的写入能量相比，在15纳米技术节点的自旋转移扭矩。这些结果可以消除自旋存储器件在嵌入式应用之外发展的主要障碍。
2021-09-06 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Electrical-controllable antiferromagnet-based tunnel junction
本文实现了Pt/Co/Pt/Co/IrMn/MgO/Pt电控反铁磁隧道结，利用IrMn中交换弹簧和交换偏置的自旋轨道矩翻转，同时实现信息存储与16种布尔逻辑运算，为反铁磁逻辑存储器奠定基础。
2024-04-01 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
