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
Field-free spin-orbit torque switching in Co/Pt/Co multilayer with mixed magnetic anisotropies
研究了Co/Pt/Co三层膜中自旋轨道矩（SOT）诱导的磁化翻转，其中两层Co膜的易磁化轴相互垂直. Pt层被用作自旋极化电流的源，因为其特征在于相对高的自旋-轨道耦合。用自旋轨道矩铁磁共振技术定量测定了Pt，$θ= 0.08$的自旋霍尔角。此外，Pt作为两个Co层之间的间隔物，并且根据其厚度，在铁磁体之间诱导不同的层间交换耦合（IEC）能量。中间IEC能量，导致顶部Co磁化从垂直方向倾斜，允许SOT诱导的顶部Co层的无毛刺切换。切换过程中进行了更详细的讨论，显示了潜在的神经形态应用程序的系统。
2019-03-08 physics.app-ph
Sub-nanosecond in-plane magnetization switching induced by field-like spin-orbit torques from ferromagnets
本文报道了一种起源于铁磁体的类场自旋轨道矩（FL-SOT），其主导共线磁化翻转，无孕育时间且翻转时间低至200皮秒，临界电流密度比阻尼类翻转低一个数量级，为高速缓存磁存储器提供方案。
2025-04-13 physics.app-ph
Field-free switching of a Spin-orbit torque device aided by interlayer-coupling induced domain walls
自旋-轨道力矩器件有望成为下一代磁存储器的候选器件，但其在高集成度电路中应用的主要障碍是需要静态面内场来诱导确定性开关。在这项工作中，我们提出了一种替代的方式来实现无场电流驱动磁化开关，而不是引入有效场的设备。通过在电流沟道两端添加Tb/Co多层膜，利用层间交换耦合产生辅助畴壁。无场确定性开关是通过电流驱动畴壁的移动来实现的。通过环位移的测量，我们发现作用在畴壁上的驱动力是由畴壁面内力矩的方向决定的。最后，我们将此元件改造成人工合成的反铁磁结构，以解决讯号读取的问题。本工作拓宽了无场自旋轨道转矩器件设计的选择，并清楚地描绘了两种不同的开关机制之间的差异。
2019-06-07 physics.app-ph
Theoretical Conditions for Field-free Magnetization Switching Induced by Spin-orbit Torque and Dzyaloshinskii-Moriya Interaction
最近，研究表明，通过结合自旋轨道矩（SOT）和Dzyaloshinskiii-Moriya相互作用（Dzyaloshinskiii-Moriya interaction）可以实现无场开关。然而，这种机制只发生在某些条件下，尚未得到很好的讨论。在这封信中，它被发现，畴壁宽度与纳米点的直径的比值可以被用来作为判断这种机制的标准。研究了不同的磁性参数，包括交换常数、磁矩大小和类场力矩等对磁性能的影响，揭示了磁畴壁表面能收缩对亚稳态的重要性.我们的工作为DMI诱导的无场磁化翻转实验提供了指导，也为基于SOI的存储器或逻辑电路的设计提供了一种新的方法。
2020-09-20 physics.app-ph
Field-free spin orbit torque switching of synthetic antiferromagnet through interlayer Dzyaloshinskii-Moriya interaction
超导合成反铁磁体（SAF）是下一代超快、高密度自旋电子存储器和逻辑器件的研究热点。然而，为了通过电流诱导的自旋轨道力矩（SOT）有效地操作它们的磁序，通常需要不利的高外部场来打破对称性。在这里，我们从理论和实验上证明了通过引入层间Dzyaloshinskiii-Moriya相互作用（Dzyaloshinskiii-Moriya interaction），垂直SAF的无场SOT开关。通过宏观自旋模拟，我们发现无场开关的速度随着注入自旋的面内镜像不对称性的增加而增加。我们通过角向反常霍尔测量实验观察到SAF样品中存在层间介电常数。在这样的样品中实现了无场开关，并且有效开关场的强度证明了其起源于层间介电常数。我们的研究结果提供了一个新的战略SAF为基础的高性能SOT器件。
2022-05-10 physics.app-ph
Deterministic switching of perpendicularly magnetic layers by spin orbital torque through stray field engineering
提出了一种利用自旋霍尔效应产生的自旋轨道力矩通过杂散场工程实现垂直磁化层确定性开关的多层膜结构。在我们的设计中，钉扎磁性层被引入由绝缘体隔开的起伏金属下，在垂直磁化层中产生面内杂散场。通过微磁学模拟和理论分析，我们证实了垂直磁化层的确定性开关。面内杂散场解释了结构中表现出的确定性切换，并且当施加的自旋电流密度高于临界自旋电流密度时，磁性层的反转最终状态是可预测的。此外，通过调节钉扎层的饱和磁化强度和尺寸，杂散场可以在很宽的范围内容易地进行调节，并且可以容纳不同的垂直磁化材料，而不需要任何外部磁场。
2017-10-20 physics.app-ph
Field-free spin-orbit-torque switching of perpendicular magnetization aided by uniaxial shape anisotropy
研究表明，利用自旋轨道矩（SOT）可以实现超快速度和低能耗的垂直磁化翻转。然而，为了使切换确定性，需要不期望的磁场或非常规器件几何形状来打破结构逆对称。在这里，我们提出了一种新的方案，SOT诱导的无场确定性开关的垂直磁化。该方案可以在简单的磁性隧道结（MTJ）/重金属系统中实现，而不需要复杂的器件结构。将单轴各向异性MTJ图案化为椭圆形状并且与重金属的轴不对准，使得单轴形状各向异性有助于磁化切换。此外，不同于传统的开关方案，其中切换的最终磁化状态是依赖于所施加的电流的方向，在我们的方案中，双极开关是通过选择不同的电流路径，这提供了一个新的自由度，开发新的自旋电子存储器或逻辑器件。通过宏观自旋模拟，我们表明，在所提出的方案中，可以获得一个宽的操作窗口的所施加的电流脉冲。不需要精确控制脉冲幅度或脉冲持续时间。讨论了阻尼常数和类场转矩强度等关键参数的影响。
2019-03-27 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
Thermal effects in spin torque switching of perpendicular magnetic tunnel junctions at cryogenic temperatures
温度在磁性隧道结的自旋力矩开关中起着重要的作用，导致磁化波动，降低了开关电压，但也引入了开关误差。在这里，我们提出了一个系统的研究，从室温到4 K的最先进的垂直磁性隧道结纳米柱（直径40至60 nm）的自旋扭矩开关概率的温度依赖性，采样高达一百万个开关事件。在开关电压的结温度-从热辅助自旋扭矩开关模型-饱和温度低于约75 K，表明结加热是显着低于这个温度和自旋扭矩开关保持高度随机下降到4 K。纳米柱结中的热流模型表明，这种效应与结中金属的热导率和热容降低有关。
2020-09-03 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Anatomy of Thermally Interplayed Spin-Orbit Torque Driven Antiferromagnetic Switching
本文通过脉宽依赖翻转和时间分辨测量实验研究了磁隧道结中热效应与自旋轨道矩相互作用的AFM翻转，并引入Langevin随机场建立新模型剖析实验现象，阐明了电流诱导AFM翻转机制。
2024-10-17 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Origin of the resistance-area product dependence of spin transfer torque switching in perpendicular magnetic random access memory cells
本文报道了在具有可变电阻面积积（RA）的垂直磁性随机存取存储器（MRAM）单元中电流感应开关的实验研究。我们的研究结果表明，除了自旋转移矩（STT），电流诱导的自加热和电压控制的磁各向异性也有助于开关，并可以解释开关电流密度和STT效率的RA依赖性。我们的研究结果表明，热优化的垂直MRAM单元可以导致开关电流显着减少。
2019-05-07 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Lack of simple correlation between switching current density and spin-orbit torque efficiency of perpendicularly magnetized spin-current generator/ferromagnet heterostructures
自旋-轨道转矩可以驱动磁性层的电切换。在这里，我们报告说，至少对于微米尺寸的样品，阻尼类自旋轨道扭矩（dampinglike spin-orbit torque）（damping-DL ^j）的效率和垂直磁化的自旋电流发生器/铁磁体异质结构的临界开关电流密度之间没有简单的相关性。我们发现，在畴壁脱钉分析中，基于开关电流密度的ε_DL ^j的值可以被低估或高估ε_DL^j达数十倍，而在基于开关电流密度的宏自旋分析中，ε_DL^j可以被高估达数千倍。当比较自旋电流发生器的相对强度时，临界开关电流密度本身是一个很差的预测因素。
2021-01-26 cond-mat.mtrl-sci 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
Field-free switching of magnetic tunnel junctions driven by spin-orbit torques at sub-ns timescales
我们报告的时间分辨测量的磁化翻转的自旋轨道转矩在没有外部磁场的垂直磁化的磁性隧道结（MTJ）。无场切换由集成在MTJ堆叠上方的面内磁化层的偶极场实现，其取向确定切换极性。实时单次测量提供了磁化反转和开关分布的直接证据。接近临界开关电压，我们观察到随机反转事件，由于有限的孵化延迟之前的磁化反转。当脉冲幅度增加到临界电压的两倍时，反转变得准确定性，从而在零外部场中以亚ns时间尺度实现可靠的双极开关。我们进一步调查的开关概率作为MTJ和外部磁场的直流偏置的函数，提供洞察力的参数，确定临界开关电压。
2020-06-11 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Identifying Switching of Antiferromagnets by Spin-Orbit Torques
本研究通过Mn$_2$Au实验，区分了热磁弹性效应与Néel自旋轨道力矩驱动的切换机制，并展示了超快机制可实现Néel矢量的完全方向对齐。
2025-06-06 cond-mat.mes-hall 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
Spin-orbit torque as a method for field-free detection of in-plane magnetization switching
我们提出并证明了一种简单的方法，用于检测在非磁性/磁性材料的双层膜的自旋轨道矩（SOT）的面内磁化翻转。在我们的方法中，SOT不仅用于磁化切换，而且用于检测。该方法无需外加磁场即可检测出任意Mx和My分量，可用于快速表征X、Y和XY型SOT的磁化翻转。我们的SOT检测方案不仅可以用于快速表征SOT开关的双层，但也为赛道存储器的平面内磁畴的电检测。
2020-10-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Deterministic multi-level spin orbit torque switching using He+ microscopy patterning
He $^+$离子辐照用于在霍尔条中以不同辐照剂量图案化Pt/Co/W膜的多个区域。由此产生的垂直磁各向异性景观，使选择性的多级电流感应开关，与完全确定性控制的位置和顺序的各个开关元件。关键图案设计参数的规定，打开一条可扩展的多级开关器件。
2023-01-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Zero-field spin-orbit-torque switching driven by magnetic spin Hall effect
自旋霍尔效应在从注入的电荷电流产生自旋电流中起重要作用，遵循Dyakonov-Perel规则，即电荷流、自旋流和自旋极化的方向相互垂直。最近，它的推广从反铁磁体，所谓的磁自旋霍尔效应，已被研究和验证，通过测量异常自旋积累。在这里，我们研究了由重金属和反铁磁体组成的双层材料中的磁自旋霍尔效应。磁自旋霍尔效应产生的自旋电流在没有任何外部磁场的情况下同时实现铁磁磁化和交换偏置的自旋-轨道-力矩开关。开关机制关键依赖于反铁磁体中的非共线自旋织构，能够在自旋电流张量中产生破磁分量，使得不再需要外部磁场。磁化和交换偏置的零场同时开关是一项重大的技术突破。此外，我们的研究结果铺平了道路，探索磁自旋霍尔效应在各种自旋织构通过自旋轨道转矩切换。
2019-11-05 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Field free switching through bulk spin-orbit torque in L10-FePt films deposited on vicinal substrates
L10-FePt因其垂直磁各向异性（PMA）而与众不同，这使得具有足够热稳定性的存储单元能够缩小到3 nm。最近发现的L10-FePt中的“体”自旋轨道扭矩提供了一种有效且可扩展的方式来操纵L10-FePt磁化。然而，在开关过程中的外场的存在限制了它的实际应用，因此L10-FePt的无场开关是非常需要的。在这篇文章中，我们通过在相邻的MgO（001）衬底上生长L10-FePt来证明其无场开关。这种方法与以前建立的策略不同，因为它不需要添加其他功能层或在膜结构中产生不对称性。我们证明了无场开关是鲁棒的，可以承受高达~1 kOe的强场干扰。邻角，薄膜厚度和生长温度的依赖性表明了宽的操作窗口的L10-FePt的无场开关。我们证实了L10-FePt的无场开关的物理起源是邻面诱导的倾斜各向异性。我们对L10-FePt薄膜的自旋轨道矩进行了定量表征，发现相邻衬底的晶格应变对自旋轨道矩的影响并不显著。我们的研究结果扩展了现有的实现无场开关的策略，并有可能应用于其他磁性和反铁磁系统。
2022-03-14 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Sub-nanosecond switching in a cryogenic spin-torque spin-valve memory element with a dilute permalloy free layer
我们提出了一个研究的自旋阀纳米柱的脉冲电流开关特性的平面磁化稀坡莫合金和未稀释的坡莫合金自由层在弹道制度在低温下。稀坡莫合金自由层器件的开关速度快得多：坡莫合金自由（Ni 0.83Fe 0.17）层器件的特征开关时间为1.18 ns，而稀坡莫合金（[Ni 0.83Fe 0.17] 0.6Cu 0.4）自由层器件的特征开关时间为0.475 ns。弹道宏观自旋模型可以捕获数据趋势，其中相对于坡莫合金器件，稀坡莫合金自由层具有减小的自旋扭矩不对称参数、减小的自旋极化和增加的吉尔伯特阻尼。我们的研究表明，减少自由层的磁化增加了开关速度，同时大大降低了开关能量，并显示了一个有前途的路线，甚至更低的功率磁存储器件与超导电子兼容。
2019-05-30 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Impact of the nucleation of charge clusters on the retention of memristors: a self-consistent phase field computational study
近年来，由于电阻式RAM具有诸如高密度、可扩展性、低功率操作、高耐久性和快速操作速度等优异特性，因此经常被称为忆阻器的电阻式RAM被积极地追求作为非易失性闪存的替代品。然而，需要克服的挑战之一是ON和OFF状态的保持损失;保持损失。虽然提出了各种模型来解释由开关层组成的忆阻器中的保留损耗，但在本文中，我们提出，开关层中由电荷组成的簇（电荷簇）的成核作用是保留损耗的潜在根本原因。成核的结果，从局部电场周期性开关操作期间间歇地产生。我们使用相场方法来说明如何电荷团簇的成核引起的保留损失。我们的研究结果表明，在保留损失出现的程度是链接到循环切换操作的数量，因为成核中心形成的概率增加与循环切换操作的数量，这是一致的一系列先前报道的实验结果。
2021-04-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci 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
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
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
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
Efficient conversion of orbital Hall current to spin current for spin-orbit torque switching
自旋霍尔效应（自旋电流的电生成）允许有效地控制磁化。最近的理论表明，轨道霍尔效应产生的轨道电流，可以远远大于自旋霍尔诱导的自旋电流。然而，轨道电流不能直接对铁磁体施加转矩，需要从轨道电流到自旋电流的转换过程。在这里，我们报告了两种有效的方法，通过自旋-轨道耦合工程，这使我们能够明确地证明轨道电流诱导的自旋力矩，或轨道霍尔力矩的转换。我们发现，轨道霍尔扭矩大大增强通过引入稀土铁磁体Gd或Pt界面层与Cr/铁磁体结构中的强自旋轨道耦合，表明在Cr中产生的轨道电流有效地转换成自旋电流中的Gd或Pt层。此外，我们发现，轨道霍尔力矩可以促进减少自旋轨道转矩为基础的自旋电子器件的垂直磁化的开关电流。
2022-05-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
