Spin Torque Oscillators with Thermal Noise: A Constant Energy Orbit Approach
考虑了具有一个易磁化轴和一个难磁化轴的双轴巨自旋系统，研究了在热噪声和自旋转移矩联合作用下的动力学演化。自旋扭矩与垂直磁化的偏振器和面内磁化的参考层两者相关联，从而导致易极化轴和自旋极化轴之间的有效倾斜。使用相关的动力学轨迹的能量平均的基础上的技术，我们分析的动态倾斜的影响，并推导出稳定的面外进动状态的发生条件。这些状态的存在及其预测的稳定性边界可以在正交自旋转移器件的实验中进行测试，也可以作为宏自旋模型对具有内部磁自由度的真实器件的适用性的测试。
2014-09-23 cond-mat.mes-hall
Bipolar switching in an orthogonal spin transfer spin valve device
我们展示了在平面磁化自旋阀器件，包括一个垂直磁化自旋极化层的电流诱导双极开关。此外，再次对于两个电流极性，在高电流下发生到具有中间电阻的状态的滞后转变。这些转变被证明是一致的宏观自旋模型，认为是相对于自由层平面倾斜的自旋极化电流，由于存在的自旋转移扭矩从极化层。这些独特的开关特性，其起源于非共线层磁化，是磁随机存取存储器和自旋扭矩振荡器设备的兴趣。
2014-08-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Field-free spin-orbit torque switching of an antiferromagnet with perpendicular Néel vector
无场自旋-轨道矩诱导的垂直磁化180°重取向有利于高性能磁存储器。反铁磁材料（AFM）可以提供比铁磁对应物更高的操作速度。在本文中，我们提出了一个三层AFM/绝缘体/重金属结构的AFM存储器件。研究表明，采用两个正交电流分别提供均匀的类阻尼力矩和类交错场力矩，可以实现垂直Néel矢量的AFM的无场开关.可逆切换可以通过反转任一电流来获得。1.79 10^11 A/m^2的电流密度足以引起开关。此外，在切换期间，两个磁矩变得非共线。这使得40微微秒内的超快切换成为可能。提出的器件和切换机制为确定性地切换具有垂直Néel矢量的AFM提供了一种很有前途的方法。它还可以刺激基于AFM的超快MRAM的发展。
2022-12-14 cond-mat.mes-hall
Switching of biaxial synthetic antiferromagnets: a micromagentic study
我们模拟了纳米合成反铁磁体（SAF）的开关行为，最近的实验进展的晶体反铁磁体的自旋轨道转矩开关的启发。SAF由两层具有面内双轴各向异性和层间交换耦合的铁磁薄膜组成。来自SAF的相对表面的交错场状Rashba自旋轨道扭矩引起倾斜的净磁化，这触发了驱动Néel矢量的90 $^\circ$切换的正交扭矩。由类场自旋轨道扭矩驱动的这种动力学允许具有增加的吉尔伯特阻尼的更快切换，而不会显著有害地增加阈值切换电流密度。我们的研究结果指出，作为模型系统，基于简单的铁磁金属，模拟反铁磁器件物理的SAF的潜力。
2018-11-22 cond-mat.mes-hall
Spin torque and persistent currents caused by percolation of topological surface states
拓扑绝缘体/铁磁金属（TI/FMM）双层薄膜是一种基于拓扑表面态的自旋电子学器件，其电流诱导自旋力矩效率最高。使用立方晶格模型，我们揭示了表面状态的狄拉克锥的TI可以逐渐合并到或高度交织的FMM体带，和表面状态渗透到FMM，并最终与量子阱态杂交在其中。磁化可以扭曲表面态的自旋-动量锁定，并产生不对称的能带结构，这导致室温持续充电电流的层流。此外，接近FMM也促进了持续的层流自旋电流。通过线性响应理论，我们阐述了表面态和FMM体带有助于电流诱导的自旋力矩，和他们的实波函数呈现的自旋力矩主要是类场的，与表面态的渗透程度的影响很大的幅度。另一方面，杂质可以改变Edelstein效应所预期的自旋极化，并产生类似阻尼的扭矩，并且即使当磁化指向面内并与电流方向正交时也会产生扭矩。
2020-07-16 cond-mat.mes-hall
Kramers Weyl Semimetals as Quantum Solenoids and Their Applications in Spin-Orbit Torque Devices
Kramers Weyl半金属是具有固定在时间反演不变动量处的Weyl点的Weyl半金属。最近发现所有手征晶体在时间反演不变动量处都存在Weyl点，因此具有手征晶格对称性的金属都属于Kramers Weyl半金属范畴。在这项工作中，我们表明，由于手征晶格对称性，Kramers Weyl半金属具有独特的纵向磁电效应，其中的电荷电流诱导的自旋和轨道磁化平行于电流的方向。这一特性使得Kramers Weyl半金属可以作为具有轨道和自旋磁化的纳米级量子晶体。由于Kramers Weyl半金属的运动电子可以产生纵向磁化，Kramers Weyl半金属可以用于新设计的自旋轨道扭矩器件，具有垂直磁各向异性磁体的磁化切换的全电控制。
2021-03-31 cond-mat.mes-hall
Magnetic domain wall motion in a nanowire: depinning and creep
磁纳米线中的畴壁运动的理论研究在该制度的畴壁驱动力是弱的，其对障碍的竞争是由热搅拌协助。两种类型的驱动力被认为是：磁场和电流。虽然场通过塞曼能量诱导畴壁运动，但电流通过产生自旋转移力矩诱导畴壁运动，其在该制度中的效果仍然存在争议。自旋转移矩具有两个相互正交的矢量分量，即绝热自旋转移矩和非绝热自旋转移矩。我们调查的两个组件上的畴壁脱钉率在一维系统和畴壁蠕变速度在二维系统中，低于沃克击穿阈值的单独的影响。除了来自该领域和/或非绝热自旋转移力矩的领先的顺序贡献，我们发现，绝热自旋转移力矩产生的修正，这可以是一个明确的分析实验结果的相关性。例如，它表明，在实验分析中忽略的修正可能会导致不正确的非绝热性参数的评估。分析了Rashba自旋轨道耦合对畴壁运动的影响。
2011-04-11 cond-mat.mes-hall
Interfacial contributions to spin-orbit torque and magnetoresistance in ferromagnet/heavy-metal bilayers
采用第一性原理非平衡格林函数方法结合Anderson无序模型研究了铁磁/重金属双层膜中自旋轨道矩和磁电阻的厚度依赖性.正交矢量球谐函数中的系统展开用于扭矩的角度依赖性。在Co/Pt和Co/Au双层膜的阻尼扭矩可以被描述为自旋霍尔贡献的总和，这与自旋扩散模型的协议，并与界面的贡献相当的厚度增加。在垂直于Co/Pt双层膜中的电流的平面中的磁导是每个界面原子的电导量子的顺序，超过自旋霍尔模型的预测超过一个数量级。这表明，“自旋霍尔磁阻”，类似于阻尼类扭矩，有一个大的界面贡献无关的自旋霍尔效应。
2019-08-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Magnetoelectric torque and edge currents caused by spin-orbit coupling
使用紧束缚模型，我们阐述了以前发现的平面外极化的螺旋边缘自旋电流所造成的Rashba自旋轨道耦合可以归因于这样一个事实，即在一个带几何形状，一个积极的动量本征态并不总是有相同的自旋极化在边缘作为相应的负动量本征态。此外，在存在垂直于边缘指向的磁化时，产生边缘电荷电流，其可以是手性的或非手性的，这取决于磁化是位于平面内还是平面外。边缘附近的自旋极化产生了与磁化强度正交的横向分量，这在两个边缘之间是反对称的，并且倾向于导致两个边缘之间的非共线磁序。如果磁化仅占据一个边缘附近的区域，或者在不规则形状的量子点中，则该横向分量具有非零平均值，从而在不需要偏置电压的情况下呈现栅极电压感应的磁电转矩。我们还认为，其他类型的自旋轨道耦合，可以从Rashba型通过幺正变换，如Dresselhaus自旋轨道耦合，将有类似的效果了。
2021-11-04 cond-mat.mes-hall
Theory of Harmonic Hall Responses of Spin-Torque Driven Antiferromagnets
谐波分析是表征和量化磁性材料电流感应转矩的有力工具，但在反铁磁体研究中，谐波分析仍是一个悬而未决的问题。在这里，我们制定了一个一般理论的谐波霍尔响应的共线反铁磁体驱动的电流感应转矩，包括类场和类阻尼分量。通过在三个正交平面上扫描可变强度的磁场，我们能够通过分析霍尔电压中的二次谐波信号来区分类场转矩、类阻尼转矩和伴随的热效应的贡献。通过数值模拟，得到了一次谐波和二次谐波随磁场方向和强度变化的解析表达式，并与实验结果吻合较好。我们证明了我们的预测在两个原型的反铁磁体，$α-$ Fe $_{2}$ O $_{3}$和NiO，提供直接和一般的指导，目前和未来的实验。
2022-05-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Direct observation of magnetic droplet solitons in all-perpendicular spin torque nano-oscillators
磁液滴是一种非拓扑的动力学孤子，在具有垂直各向异性自由层的纳米接触型自旋矩纳米振荡器（NC-STNOs）中可以成核和维持.虽然最初在全垂直NC-STNO中预测，但到目前为止，所有实验演示都依赖于具有面内偏振层的正交装置，该偏振层需要强磁场以用于液滴成核。在这里，我们反而显示了在适度的垂直领域和广泛的纳米接触尺寸的所有垂直NC-STNO中的磁性液滴的成核和持续操作。电液滴被观察到作为一个中间电阻状态伴随着宽带低频微波噪声。使用倾斜场，其在自由层和固定层之间引入非零相对角度，也可以确定实际的液滴进动频率。最后，液滴的大小，其周长宽度，和其完全反转的核心直接观察下的80纳米直径的纳米接触，使用扫描透射X射线显微镜上的Ni和Co的边缘。液滴直径为150 nm，即几乎是纳米接触的标称尺寸的两倍，并且液滴具有约70 nm的周长宽度。
2017-07-05 cond-mat.mes-hall
Switching based Spin Transfer Torque Oscillator with zero-bias field and large tuning-ratio
我们提出了一个新的概念，获得振荡频率在甚高频（VHF）和超高频（UHF）波段。传统的自旋力矩纳米振荡器（STNO）由至少一个钉扎层（PL）和一个自由层（FL）组成，该自由层在由进动角限定的固定轨道上进动，这导致磁阻（MR）振荡。在STNO中，在磁性层的易磁化轴对齐或甚至正交的情况下，以及在有或没有外部偏置磁场的情况下，不可能获得全MR摆幅。被抑制的MR摆幅危及所提取的输出功率。此外，轨道受到热涨落的强烈干扰，导致强烈的磁噪声。与STNO的工作原理形成鲜明对比的是，我们从理论上证明了，从实验的实际参数，在一个单向的电流在一个双不对称的自由层（没有钉扎层）为基础的垂直磁性隧道结（pMTJ），两个自由层可以实现一个完整的和异相的自维持开关，而无需任何外部磁场的帮助。这种设计有利于基于开关的自旋扭矩振荡器（SW-STO），其具有全MR摆动，并且因此具有更大的输出功率，用于稳定和更热鲁棒的自由运行振荡。此外，与n型金属氧化物半导体（NMOS）场效应晶体管在130，65和14 nm节点的集成进行评估，阐述其对振荡器性能的影响，可控性与直流偏置和设计约束，以证明设计的可行性作为一个动态可控振荡器的实际片上实现。
2017-06-02 cond-mat.mes-hall
Decoupling of Spin-Orbit Torque Components in Py/W Bilayers unveiled through variation of W-resistivity
Indian Institute of Science Education and Research Kolkata（印度加尔各答科学教育研究所）
通过调节W电阻率揭示了Py/W双层中自旋轨道扭矩组件的解耦，发现Slonczewski-like扭矩效率依赖于W电阻率，而场状扭矩效率则表现出界面特性。
2025-12-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Efficient Spin-Orbit Torques in an Antiferromagnetic Insulator with Tilted Easy Plane
反铁磁体内部自旋织构的电操纵为发展具有优异速度和高器件密度的自旋电子学提供了新的机会。然而，由于不同亚晶格之间复杂的相互作用，将自旋电流注入反铁磁体并实现有效的自旋-轨道-力矩诱导开关仍然具有挑战性。与此同时，由于磁化率的降低，反铁磁物质中电流感应磁动力学的性质和大小仍然很难表征，而杂散效应使实验解释进一步复杂化。在这项工作中，通过沿非基面取向生长反铁磁绝缘体薄膜α-Fe_2 O_3，我们实现了一种结构，其中注入的自旋电流可以在倾斜的易平面内鲁棒地旋转Néel矢量，其效率与经典铁磁体相当。自旋-轨道力矩效应在其他竞争机制中脱颖而出，并导致清晰的开关动态。由于这种新的机制，在通常采用的正交开关的几何形状相比，我们实现了双极反铁磁开关沿同一个通道，一个几何形状，这是更实用的设备应用的正电流和负电流。通过使有效的自旋-轨道力矩控制反铁磁有序，倾斜的易平面几何引入了一个新的平台，定量了解反铁磁体的开关和振荡动力学。
2022-01-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Time- and spatially-resolved magnetization dynamics driven by spin-orbit torques
电流感生自旋轨道力矩（SOT）是控制自旋电子器件磁化强度的最有效方法之一。正交的转矩磁化几何形状，强阻尼，和大的畴壁速度与强自旋轨道耦合的材料固有的SOT特别吸引人的非易失性存储器和逻辑单元中的快速开关应用。然而，到目前为止，在切换过程中的磁化的时间尺度和演变仍然未被检测到。在这里，我们报告的直接观察在Pt/Co/AlO $_x$点在电流脉冲注入的SOT驱动的磁化动力学。具有25 nm空间和100 ps时间分辨率的时间分辨的X射线图像显示，开关是在亚纳秒电流脉冲的持续时间内通过在点的边缘处的反转域的快速成核和跨越点的倾斜域壁的传播来实现的。成核点是确定性的，并且根据磁化强度、电流和外部场的符号在四个点象限之间交替。我们的测量揭示了如何磁对称性被破坏的阻尼类和类场SOT的协调行动，并表明，可再现的开关事件，可以获得超过$10^{12}$反转周期。
2017-04-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Temperature-dependent critical spin-orbit field for orthogonal switching in antiferromagnets
金属Mn $_2$ Au和CuMnAs的电流诱导自旋轨道矩（SOT）正交重取向（也称为正交开关）的发现为反铁磁体（AFM）的超快写入打开了大门。唯象理论预测，SOT开关所需的最小场-临界场-对于超短脉冲，与脉冲持续时间成反比地增加，从而限制了超快刺激作为开关驱动力的使用。我们探讨的可能性，通过改变工作温度的临界场减少，使正交开关响应超短脉冲。要做到这一点，我们以前的理论扩展到有限的温度和正交开关的临界场强烈依赖于温度。我们确定的临界场的温度依赖性如何变化的脉冲持续时间的函数。而对于长脉冲，临界场的温度依赖性由各向异性场决定，对于超短脉冲，它由AFM的特征频率决定。我们表明，短和长的脉冲持续时间限制的临界场可以连接的解析表达式。
2022-07-19 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
A vector magnetometer based on a single spin-orbit torque anomalous Hall device
在许多应用中，以高空间分辨率和低成本测量磁场矢量信息的能力是必不可少的，但这对于现有的由多个传感器组成的磁力计来说仍然是一个挑战。在这里，我们报告了一个单一的设备为基础的矢量磁强计，这是使自旋轨道扭矩，能够测量矢量磁场使用谐波霍尔电阻的超顺磁性铁磁体（FM）/重金属（HM）双层。在交流驱动电流下，FM/HM双层膜的一次和二次谐波霍尔电阻分别与磁场的垂直分量和纵向分量（沿电流方向）呈线性关系。通过采用具有两个正交臂的L形霍尔器件，我们可以同时测量所有三个场分量，从而检测三维空间中的磁场的幅度和方向。作为概念的证明，我们展示了三个坐标平面上的角位置传感和由永磁体产生的磁场的矢量映射，这两者都与仿真结果吻合得很好。利用理论模型讨论了大场强下垂直场和纵向场之间的串扰。
2022-06-16 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Anomalous temperature dependence of current induced torques in CoFeB|MgO heterostructures with Ta based underlayers
研究了CoFeB中电流感生有效场的底层厚度和温度依赖关系|具有Ta基底层的MgO异质结构。有效场饱和的底层厚度在有效场的两个正交分量之间被发现是不同的，即类阻尼项倾向于在比类场项更小的底层厚度处饱和。对于大的底层厚度的薄膜中的有效场饱和，我们发现，温度显着影响的有效场的大小。一个显着的差异被发现在两个组件的温度依赖性：类阻尼项减少，而类场项增加，随着温度的升高。使用一个简单的自旋扩散-自旋转移模型，我们发现，所有这些结果可以解释提供的有效自旋混合电导的实部和虚部是负的。这些结果意味着，无论是在这个系统中的自旋输运是不同于传统的金属界面或影响其他自旋扩散到磁性层需要考虑，以准确地模拟系统。
2014-02-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
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
Supercurrent Diode Effect, Spin Torques, and Robust Zero-Energy Peak in Planar Half-Metallic Trilayers
我们考虑在弹道制度，在每个铁磁体${\rm F}_i (i=1,2,3)$的磁化，可以有任意的取向和磁化强度的${\rm F_1 F_2 F_3}$铁磁三层的约瑟夫森结。这三层被夹在两个宏观相位差为$Δφ$的$s$波超导体之间.考虑了中心$\rm F_2$层的宽范围的磁化强度，从未极化的正常金属（N）到仅支持一种自旋种类的半金属相。结果表明，当${\rm F_1 F_2 F_3}$中的磁化组态具有三个正交分量时，超电流可以在$Δφ=0$中流动，并且在电流-相位关系中出现较强的二次谐波.当中心铁磁体层的磁化强度增加到半金属极限时，自偏置电流和二次谐波分量显著增强，临界超电流达到最大值。电流-相位关系中的高次谐波可以由相对磁化方向控制，与相应的${\rm F_1 N F_3}$对应物相比具有可忽略的电流阻尼。对于中心铁磁体${\rm F}_2$中的宽范围的交换场强度，通过旋转外部铁磁体$\rm F_3$中的磁化，可以将系统的基态调谐到任意相位差$φ_0$。对于${\rm F}_2$中的中间交换场强度，可以出现产生超导二极管效应的$φ_0$状态，由此可以调谐$Δφ$以产生单向无耗散电流。态密度表明出现了零能量峰的相互正交的磁化配置，这是最强的半金属相。
2021-11-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el cond-mat.supr-con
Spin pumping in noncollinear antiferromagnets
对非共线反铁磁体的交流自旋抽运进行了理论研究。从自旋系统的有效作用量描述出发，导出了与SO（3）值反铁磁序参量动力学相关的自旋泵和自旋转移矩的Onsager系数.我们的理论被应用到由均匀外磁场共振驱动的可果美反铁磁体。我们证明了反应（耗散）自旋转移矩参数可以从泵浦交流自旋电流的相位（正交）与驱动场。此外，我们发现，三个自旋波段的可果美AF产生自旋电流与相互正交的偏振方向。这提供了通过激发不同的自旋波模式来控制泵浦自旋电流的自旋取向的独特方式。
2021-11-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
