A conductive topological insulator with colossal spin Hall effect for ultra-low power spin-orbit-torque switching
利用重金属和拓扑绝缘体中的自旋霍尔效应（SHE）实现自旋-轨道-转矩（SOT）开关在超低功耗磁阻随机存取存储器（MRAM）中具有巨大的潜力。为了与传统的自旋转移矩（STT）开关竞争，需要具有大自旋霍尔角（$θ_{SH}$ > 1）和高电导率（$σ > 10^5 Ω^{-1}m^{-1}$）的纯自旋电流源。在这里，我们展示了这样一个纯自旋电流源：BiSb薄膜与$σ{\sim}2.5*10^5 Ω^{-1}m^{-1}$，$θ_{SH}{\sim}52$，和自旋霍尔电导率$σ_{SH}{\sim}1.3*10^7 {\hbar}/2eΩ^{-1}m^{-1}$在室温下。我们表明，BiSb薄膜可以在Bi $_{0.9}$中产生2770 Oe/（MA/cm $^2$）的巨大自旋轨道场和低至1.5 MA/cm $^2$的临界开关电流密度。Sb $_{0.1}$ / MnGa双层。BiSb是拓扑绝缘体首次工业应用的最佳候选材料。
2017-09-25 cond-mat.mtrl-sci
All electrical manipulation of magnetization dynamics in a ferromagnet by antiferromagnets with anisotropic spin Hall effects
利用直流偏置电流调谐的自旋矩铁磁共振研究了金属CuAu-I型反铁磁体的自旋轨道矩。所观察到的自旋力矩主要来自自旋霍尔效应产生的自旋电流的扩散输运。通过研究外延样品，我们发现了自旋力矩的生长取向依赖性，这可能与自旋霍尔效应的各向异性有关。观察到的各向异性是一致的第一性原理计算的内在自旋霍尔效应。我们的工作证明了磁有序材料中的大的可调自旋轨道效应。
2015-09-21 cond-mat.mtrl-sci
Out-of-Plane Nonlinear Orbital Hall Torque
Singapore University of Technology and Design（新加坡科技设计大学）；Fudan University（复旦大学）；The Hong Kong Polytechnic University（香港理工大学）；Beihang University（北京航空航天大学）；Nanyang Technological University（南洋理工大学）；National University of Singapore（新加坡国立大学）
本文提出利用非线性轨道霍尔效应在拓扑金属中产生面外轨道力矩，并通过第一性原理计算证明其显著优于线性机制，为无场垂直磁化翻转和高性能轨道电子器件提供新路径。
2025-11-13 cond-mat.mtrl-sci
Spin Hall torque magnetometry of Dzyaloshinskii domain walls
实验和理论研究了重金属/铁磁体双层膜中存在Dzyaloshinskiii-Moriya相互作用时的电流诱导畴壁运动。的电流引起的扭矩和Dzyaloshinskii域壁的磁化结构的角度依赖性的描述和量化同时在面内场的存在下。我们表明，的抗弯强度强烈依赖于重金属，Ta和Pa之间的变化的20倍，和强大的抗弯导致在传统材料中看不到的壁变形。这些发现提供了必要的见解，了解和利用新兴的自旋电子学应用的手征磁性。
2014-11-05 cond-mat.mtrl-sci
Absence of orbital current torque in Ta/ferromagnet bilayers
本文通过自旋力矩铁磁共振实验证明，Ta/铁磁体双层中的界面力矩仅来源于Ta的自旋霍尔效应，否定了轨道电流力矩的存在，并指出此前被广泛引用的正力矩证据源于忽略了铁磁体自感应信号。
2025-08-19 cond-mat.mtrl-sci
Facet-dependent giant spin orbit torque in single crystalline antiferromagnetic Ir-Mn / ferromagnetic permalloy bilayers
自旋轨道转矩的目的是操纵的铁磁（FM）薄膜或纳米元件的自旋电子技术的磁化已经有相当大的兴趣。自旋-轨道扭矩源自自旋电流，该自旋电流由扩散到相邻FM材料中的具有显著自旋-轨道耦合的材料中的电荷电流产生。已经进行了大量的努力来寻找表现出大的自旋霍尔角，即有效的电荷到自旋电流转换的候选材料。在这里，我们报告，使用自旋扭矩铁磁共振，观察到一个巨大的自旋霍尔角高达~0.35（100）取向的单晶反铁磁（AF）IrMn 3薄膜，耦合到铁磁坡莫合金层，和一个自旋霍尔角，约三倍小（111）取向的薄膜。对于（100）取向的样品，我们表明，自旋霍尔角的大小可以显着改变通过操纵的人口的各种AF域通过场退火。使用从头计算，我们表明，IrMn 3的三角形AF结构产生了实质性的固有自旋霍尔电导率，其（100）比（111）取向大三倍，与我们的实验结果一致。
2016-02-01 cond-mat.mtrl-sci
Enhancing z spin generation in trivial spin Hall materials for scalable, energy-efficient, field-free, complete spin-orbit torque switching applications
本文通过 Pt 与 Ti 合金化及电学不对称工程，在 Pt75Ti25/FeCoB 中实现 z 自旋产生的大幅增强，从而实现可扩展、高能效、无外场的完全自旋轨道矩翻转，并展示了其优异的热稳定性和集成兼容性。
2025-06-07 cond-mat.mtrl-sci
Magnetization switching induced by spin-orbit torque from Co2MnGa magnetic Weyl semimetal thin films
研究了Co2 MnGa磁性Weyl半金属（WSM）薄膜中自旋电流产生的自旋轨道矩（SOT）引起的磁化翻转。我们在MgO（001）衬底上外延生长了具有高度B2有序结构的Co2 MnGa薄膜。在Co2 MnGa/Ti/CoFeB异质结中进行了SOT的谐波霍尔测量，获得了较大的自旋霍尔效率（-7.8%），并进一步证实了垂直磁化CoFeB层的SOT感生磁化翻转.二次谐波信号的对称性，自旋霍尔效率的厚度依赖性，和移动的反常霍尔环下施加电流进行了研究。本研究不仅有助于理解磁性WSM基异质结产生自旋电流的机制，而且为磁性WSM在自旋电子器件中的应用奠定了基础。
2021-01-18 cond-mat.mtrl-sci
Dominant spin Hall torque and negligible orbital Hall torque in α-W/ferromagnet heterostructures with artifacts-free angular momentum detectors
State Key Laboratory of Semiconductor Physics and Chip Technologies, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences（中国科学院半导体研究所半导体物理与芯片技术国家重点实验室）；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工程技术研究中心）；College of Physics and Information Technology, Shaanxi Normal University（陕西师范大学物理学与信息技术学院）
本文使用无伪影角动量探测器（Cu/Ni/Cu和Cu/FeCoB/Cu）澄清了α-W中电流诱导转矩的物理起源，发现自旋轨道转矩始终为负且主要来自自旋霍尔效应，轨道霍尔转矩可忽略，表明轨道电流缺乏普适性。
2026-08-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Accurate analysis for harmonic Hall voltage measurement for spin-orbit torques
通过对谐波霍尔电压测量结果的分析，提出了一种精确提取自旋-轨道有效场的方法，推导了详细的解析方程，其中考虑了外加磁场的z分量和二阶垂直磁各向异性.该方法是通过分析一个宏自旋模拟的结果进行测试。从分析中提取的自旋-轨道有效场被发现是在很好的协议与输入自旋-轨道有效场用于宏观自旋模拟在整个范围内的极性磁化角和宽范围（0-2）的平面的异常霍尔电压的比率在这项研究中考虑。所提出的方法的准确性更清楚地表明，通过一个系统的研究，涉及其结果与传统的分析方法的比较。
2017-12-04 cond-mat.mtrl-sci
Stacking-order effect on spin-orbit torque, spin-Hall magnetoresistance, and magnetic anisotropy in Ni$_{81}$Fe$_{19}$-IrO$_2$ bilayers
5d过渡金属氧化物是一个有趣的平台，可以证明有效的电荷到自旋电流的转换，这是由于强自旋轨道耦合主导的独特电子结构。本文报道了双层Ni $_{81}$ Fe $_{19}$-5 d氧化铱（IrO $_2$）中的自旋轨道矩（SOT）、自旋霍尔磁电阻和磁各向异性的堆垛阶效应。虽然所有IrO $_2$和Pt对照样品都表现出源自有效电荷到自旋电流转换的大阻尼类SOT产生，但IrO $_2$（Pt）-底部样品中的SOT的幅度大于IrO $_2$（Pt）-顶部样品中的SOT。类场SOT具有更显著的堆叠顺序效应，导致IrO $_2$样品中的相反符号与Pt样品中的相同符号形成对比。此外，我们观察到的磁各向异性能量密度和异常霍尔效应的增加，在IrO $_2$（Pt）-底部的样品，这表明增强的界面垂直磁各向异性。我们的研究结果突出了堆叠顺序对Ir氧化物/铁磁体系统的自旋输运和磁输运性质的显著影响，为包括5d过渡金属氧化物的SOT器件的设计提供了有用的信息。
2021-10-06 cond-mat.mtrl-sci
Magnetic angular position sensor enabled by spin-orbit torque
提出了一种基于电流感生自旋轨道力矩效应的磁角位置传感器的简单方案。利用一对重金属/铁磁体异质结霍尔十字实现了360 °的全量程探测。两个霍尔十字的电流轴彼此正交地对准，使得当两个装置经受旋转面内磁场时，由相反极性的电流脉冲引起的差分霍尔电压分别表现出对场方向的正弦和余弦角度依赖性。然后通过arctan 2函数从正弦和余弦输出信号计算磁场旋转角度。在500-2000 Oe的视场范围内，计算视场角与实际视场角呈线性关系，平均误差为0.38- 0.65 o。
2018-06-18 cond-mat.mtrl-sci
Inefficiency of orbital Hall effect on the spin torque in transition metal/ferromagnet bilayers
本研究通过第一性原理计算，系统研究了过渡金属/铁磁体双层中的自旋力矩，发现轨道霍尔效应贡献远低于自旋霍尔效应，且在TM/Ni中轨道霍尔与自扭矩相互抵消。
2025-03-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Tuning spin-orbit torques across the phase transition in VO$_2$/NiFe heterostructure
自旋-轨道力矩的出现作为一种有前途的方法，能源效率的磁开关产生了很大的兴趣，材料系统容易和完全可调的自旋-轨道力矩。本文利用自旋矩铁磁共振研究了VO $_2$ /NiFe异质结构中电流诱导的自旋轨道矩，其中VO $_2$层经历了显著的绝缘体-金属转变.吉尔伯特阻尼参数，$α$，随着温度的增加约2倍，是由于在整个VO $_2$相变的VO $_2$ /NiFe界面的自旋吸收的变化。更值得注意的是，一个大的调制（$\pm$ 100%）和跨VO $_2$相变的电流诱导的自旋-轨道扭矩的符号变化建议两个竞争的自旋-轨道扭矩产生机制。通过自旋霍尔电导率$σ_{SH} \approx 10^4 \frac{\hbar}{e} Ω^{-1} m^{-1}$的第一性原理计算，证实了金属VO $_2$中的体自旋霍尔效应是金属相自旋轨道矩的主要来源. NiFe中的自感/异常扭矩与金属VO $_2$中的体自旋霍尔效应具有相反的符号和相似的幅度，可能是随着温度降低而占主导地位的另一种竞争机制。对于应用，转矩强度和方向的强可调谐性开辟了一条新的途径来定制经历相变的材料的自旋轨道转矩以用于新的器件功能。
2022-01-31 cond-mat.mtrl-sci
Spin-orbit torque engineering via oxygen manipulation
自旋转移矩允许在室温下对磁化进行电操纵，这在诸如自旋转移矩存储器的自旋电子器件中是期望的。当与自旋-轨道耦合结合时，它们产生自旋-轨道转矩，这是磁化控制的更强大的工具，并且可以丰富器件功能。目前正在加紧研究自旋-轨道力矩的工程，这种力矩主要是基于自旋霍尔效应。在这里，我们报告的自旋-轨道力矩器件的氧化触发一个新的机制的自旋-轨道力矩，这是大约两倍强于基于自旋霍尔效应。因此，我们介绍了一种通过氧操纵工程自旋轨道力矩。结合氧水平的电门控，我们的研究结果也可能为可重构逻辑器件铺平道路。
2015-11-28 cond-mat.mtrl-sci
Orbital torque switching of room temperature two-dimensional van der Waals ferromagnet Fe3GaTe2
该研究利用轨道霍尔材料 Ti 产生的轨道力矩，在室温下实现二维范德华铁磁体 Fe3GaTe2 的高效磁化翻转，翻转电流密度约 1.6×10^6 A/cm^2。
2024-12-06 cond-mat.mtrl-sci
Matching domain wall configuration and spin-orbit torques for very efficient domain-wall motion
在我们的数值研究中，我们确定了有效的磁畴壁运动的最佳条件的自旋-轨道扭矩源于自旋霍尔效应或Rashba效应。我们证明了这种效应主要取决于畴壁结构，电流注入方案和自旋轨道矩的对称性。最好的识别配置对应于Néel壁驱动的自旋霍尔效应在一个狭窄的带垂直磁各向异性。在这种情况下，畴壁速度可以是常规电流面内自旋转移力矩的10倍。
2012-10-10 cond-mat.mtrl-sci
Efficient magnetization switching driven by orbital torque originating from light 3d-transition-metal nitrides
Research Center for Magnetic and Spintronic Materials (CMSM), National Institute for Materials Science (NIMS)（物质材料研究机构（NIMS）磁性自旋电子材料研究中心）；Faculty of Electrical Engineering and Electronics, Kyoto Institute of Technology（京都工艺纤维大学电气电子工程学院）
利用轻3d过渡金属氮化物VN的轨道霍尔效应实现高效磁化开关，展示了[Co/Pt]3多层结构的高扭矩效率。
2026-01-03 cond-mat.mtrl-sci
Asymmetric Pt/Co/Pt structure as a platform for extracting pure spin Hall torque
我们定量研究了纯自旋霍尔效应产生的自旋-轨道扭矩在很宽的温度范围内，通过强化消除Rashba自旋-轨道扭矩使用Pt/Co/Pt三层与非对称的顶部和底部的Pt层的厚度。通过对电流感生有效场的矢量测量，证实了Rashba效应的微小贡献。为了精确测定自旋霍尔力矩的大小，通过在SiO2和Gd 3Ga 5 O 12（GGG）衬底上制备对称的Pt/Co/Pt结构，验证了自旋霍尔力矩的完全消除.尽管GGG衬底上的自旋霍尔扭矩完全抵消，但即使当SiO2衬底上的顶部和底部Pt层具有相同的厚度时，自旋霍尔扭矩也不能完全抵消，这表明GGG衬底上的Pt/Co/Pt三层是用于精确测量自旋霍尔扭矩的合适系统。Pt/Co/Pt/GGG在300 ~ 10 K范围内的矢量测量结果表明，自旋霍尔矩几乎与温度无关，这在Pt的自旋霍尔角与温度无关的假设下定量地再现了这一点。
2016-06-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Analytical expression for the harmonic Hall voltages in evaluating spin orbit torques
对电流感应转矩的深入理解是发展双磁性异质结构中电流和电压控制磁化动力学的关键。需要一种通用的技术来评估各种系统中的这种扭矩。在这里，我们检查绝热（低频）谐波霍尔电压测量，最近已经发展到研究电流感生的有效场，起源于自旋轨道效应。我们解析推导出一种形式，可用于评估谐波霍尔电压，并提取相关参数在两个代表性的系统，即出平面和在平面磁化系统。考虑了反常霍尔效应和平面霍尔效应的贡献。
2013-07-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Spin Hall effect versus Rashba torque: a Diffusive Approach
电流驱动的重金属/铁磁体双层膜中的单个铁磁体的磁化动力学最近已经实现。在这项工作中，自旋力矩引起的所谓的Rashba自旋轨道耦合和自旋霍尔效应被认为是在一个扩散模型。的铁磁体和重金属的厚度作为一个函数的扭矩的依赖性进行了分析。我们表明，（i）这两个扭矩的形式${\bf T}=T_{||}{\bf m}\times{\bf y}+T_\bot{\bf m}\times({\bf y}\times{\bf m})$，（ii）的比例$T_{||}/T_\bot$强烈依赖于层的厚度和（iii）的自旋扭矩的厚度依赖性提供了一个指示的起源（Rashba-或自旋霍尔效应-诱导）的自旋扭矩。
2012-04-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
The dominancy of damping like torque for the current induced magnetization switching in Pt/Co/W multilayers
两类自旋轨道耦合（SOC）机制被认为是自旋轨道矩（SOT）的候选源：强SOC重金属中的自旋霍尔效应（SHE）和由材料表面和界面的反转对称性破缺引起的Rashba效应。在这项工作中，我们研究了垂直磁化的Pt/Co/W薄膜的SOT，并与Pt/Co/AlOx薄膜的结果进行了比较。理论上，在自旋霍尔角符号相反的三层非对称结构的情况下，由于SHE和Rashba效应引起的类阻尼力矩和类场力矩都将得到增强。利用谐波测量，我们表征了类阻尼力矩和类场力矩对应的有效场，但我们发现类阻尼力矩在Pt/Co/W薄膜中占主导地位。这与Pt/Co/AlOx薄膜中的结果有很大的不同，在Pt/Co/AlOx薄膜中，类阻尼扭矩和类场扭矩都很强。
2018-01-23 cond-mat.mtrl-sci
Comments on the formula to extract current-induced torques from the harmonic Hall voltage measurements
The University of Tokyo（东京大学）；Research Institute of Electrical Communication (RIEC), Tohoku University（东北大学电气通信研究所）；Trans-Scale Quantum Science Institute (TSQS), The University of Tokyo（东京大学跨尺度量子科学研究所）
本文针对谐波霍尔电压测量中提取电流诱导扭矩的公式分歧问题，澄清了因子二的来源并提出了正确形式的拟合公式。
2026-01-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Maximizing Spin-Orbit Torque Generated by the Spin Hall Effect of Pt
自旋-轨道力矩的有效产生是自旋-轨道电子学的核心问题。铂是典型的自旋霍尔材料，由于其巨大的自旋霍尔电导率、低电阻率、高稳定性以及与CMOS电路兼容的能力，它有可能成为自旋轨道扭矩的杰出提供者。然而，具有低电阻率的纯清洁极限Pt仍然提供低阻尼类自旋轨道扭矩效率，这限制了其实际应用。增加Pt的自旋霍尔比和界面的自旋跃迁可以显著提高Pt基磁性异质结构的自旋-轨道矩效率。在这里，我们回顾了最近的进展，了解物理的自旋电流产生，界面自旋输运，和计量学的自旋轨道扭矩，并总结了基于Pt的自旋轨道扭矩存储器和逻辑的目标，是快速，高效，可靠，可扩展，和非易失性的进展。
2021-07-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Planar Hall driven torque in a FM/NM/FM system
自旋电子学的一个重要目标是将电荷电流转换成具有受控自旋极化的自旋电流，该自旋电流可以在相邻的磁性层上施加扭矩。在这里，我们证明这样的扭矩在两个铁磁体系统。在CoNi/Au/CoFeB结构的样品中，采用CoNi多层膜作为自旋电流源。自旋扭矩铁磁共振用于测量CoFeB层上的扭矩。作为所施加的磁场角度和电流的函数的响应与由源自CoNi的平面霍尔效应产生的扭矩所预期的对称性一致。我们发现这种效应的强度与铂中的自旋霍尔效应的强度相当，表明平面霍尔效应具有作为自旋电流源的潜力，具有可控的极化方向。
2019-10-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Spin Torque Generated by Valley Hall Effect in WSe2
单层过渡金属二硫属化物由于其稳健的自旋谷锁定价态而成为自旋电子学的有前途的材料，使得能够通过谷霍尔效应进行有效的电荷到自旋转换，其中非平衡自旋具有数百纳米的长自旋扩散长度。在这项工作中，我们表明，注入一个纯粹的谷电流，诱导谷霍尔效应在WSe 2单层，赋予自旋力矩上的磁化覆盖的Fe或CoFe的隧道结构。扭矩效率被发现是在传统的垂直磁隧道结，可以进一步优化与谷霍尔角在WSe 2。自旋扭矩的谷性质在电流平面内配置中产生平面外阻尼类扭矩，消失了平行于平面的电荷传输以及通过门控可调的扭矩效率。
2022-06-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Effect of multi-layering and crystal orientation on spin-orbit torque efficiency in Ni/Pt layer stacking
本文通过FMR和谐波霍尔测量研究了Ni/Pt多层结构与晶体取向对自旋轨道矩效率的影响，发现多层化和外延取向能显著提升转矩效率与自旋霍尔电导率，为未来自旋电子器件的开发提供了重要指导。
2023-11-23 cond-mat.mtrl-sci
Spin-Orbit Torque Engineering in β-W/CoFeB Heterostructures via Ta and V Alloying at Interfaces
自旋轨道矩是自旋电子器件中一种很有前途的磁化翻转机制，它表现为在非磁性金属和铁磁界面上累积的自旋极化矩。为了在实践中充分利用这一点，具有高自旋霍尔角的材料，即，电荷-自旋转换效率是必不可少的。迄今为止，很少有方法设计新的非晶态金属合金。此外，新材料需要与半导体加工兼容。在这里，我们介绍了W-Ta和W-V合金，并将它们部署在$β$ -W/CoFeB层之间的界面处。首先，通过第一性原理能带计算，计算了不同组分的W-Ta和W-V结构的自旋霍尔电导率，预测了W-V合金的自旋霍尔电导率从W的$-0.82 \times 10^3$ S/cm提高到$-1.98 \times 10^3$ S/cm。随后，异质结构的制造和自旋-轨道力矩特性的实验表征。通过使$β$ -W与浓度为20原子%的V合金化，我们观察到自旋霍尔电导率的绝对值的大的增强，高达$-(2.77 \pm 0.31) \times 10^3$ S/cm。通过X射线衍射和扫描透射电子显微镜的分析，进一步解释了自旋-轨道力矩效率的提高是由于W和CoFeB之间的W-V合金。
2021-06-10 cond-mat.mtrl-sci
Efficient field-free perpendicular magnetization switching by a magnetic spin Hall effect
由传统的自旋霍尔效应驱动的电流感生自旋轨道力矩被广泛用于操纵磁化。然而，这种方法对于高密度磁存储和存储器器件所需的具有垂直磁各向异性的磁体的切换是不确定的且效率低下的。在这里，我们证明可以通过利用非共线反铁磁体（例如Mn 3 Sn）中的磁自旋霍尔效应来克服这一限制。Mn 3Sn的磁群对称性允许产生携带由面内电荷电流引起的自旋极化的面外自旋电流。该自旋电流驱动面外抗阻尼扭矩，提供相邻Ni/Co多层的垂直磁化的确定性切换。与传统的自旋-轨道转矩器件相比，所观察到的开关不需要任何外部磁场，并且需要低得多的电流密度。我们的研究结果表明，利用非共线反铁磁体中的磁自旋霍尔效应进行低功率自旋电子学研究具有广阔的前景。
2021-03-16 cond-mat.mtrl-sci
Dependence of the Efficiency of Spin Hall Torque on the Transparency of Pt-Ferromagnetic Layer Interfaces
我们报告说，自旋电流传输跨铂铁磁体（FM）接口是强烈依赖于FM层的类型和厚度和后沉积处理协议。通过采用谐波电压测量和自旋扭矩铁磁共振测量，我们发现，在不同的界面条件下，Pt自旋霍尔效应施加阻尼类自旋扭矩FM的效率范围从< 0.05 to >0.10。我们还表明，温度依赖性的自旋扭矩效率的阻尼类扭矩和类场扭矩是依赖于Pt-FM接口的细节。在考虑界面自旋传输因子后，本研究中使用的Pt薄膜的“内部”自旋霍尔角估计为~ 0.20。这表明Pt-FM界面的精心设计可以提高Pt基自旋电子器件的自旋霍尔扭矩效率。
2014-11-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Toward 100% Spin-Orbit Torque Efficiency with High Spin-Orbital Hall Conductivity Pt-Cr Alloys
5d过渡金属Pt是用于在Pt/铁磁层（FM）异质结构中有效产生自旋-轨道力矩（SOT）的典型自旋霍尔材料。然而，长期以来，在巨大的工程努力下，Pt和Pt合金的类阻尼SOT效率（$ξ_{DL}$）仍然被限制为$ξ_{DL}$ <0.5。在这里，我们提出，与适当的合金元素，特别是3d过渡金属V和Cr，高自旋轨道霍尔电导率（$σ_{SH}{\sim}6.5{\times}10^{5}({\hbar}/2e)Ω^{-1}{\cdot} m^{-1}$）可以开发。特别是对于Cr掺杂的情况，Pt $_{0.69}$ Cr $_{0.31}$ /Co器件中极高的$ξ_{DL}{\sim}0.9$可以用$ρ_{xx}{\sim}133 μΩ{\cdot}cm$的中等Pt $_{0.69}$ Cr $_{0.31}$电阻率来实现。低临界SOT驱动开关电流密度的$J_{c}{\sim}3.2{\times}10^{6} A{\cdot}cm^{-2}$也被证明。Pt $_{0.69}$ Cr $_{0.31}$ /FM结构的阻尼常数（$α$）也被发现从纯Pt/FM情况下的0.078减小到0.052。这种Pt-Cr/FM异质结构的总体高$σ_{SH}$、巨大的$ξ_{DL}$、中等的$ρ_{xx}$和减小的$α$使其有希望用于通用的极低功耗SOT存储器应用。
2022-04-08 cond-mat.mtrl-sci
Giant Orbital Torque-driven Picosecond Switching in Magnetic Tunnel Junctions
Fert Beijing Institute, School of Integrated Circuit Science and Engineering, Beihang University（北京航空航天大学集成电路科学与工程学院飞艇北京研究所）；National Key Lab of Spintronics, Institute of International Innovation, Beihang University（北京航空航天大学国际创新研究院自旋电子学全国重点实验室）；Truth Memory Corporation（真忆科技有限公司）；CINaM, Aix-Marseille Univ, CNRS（法国国家科学研究中心艾克斯马赛大学自然与材料研究中心）；Laboratoire Albert Fert, CNRS, Thales, Université Paris-Saclay（巴黎萨克雷大学CNRS泰雷兹阿尔贝特·费朗实验室）
利用Ru/W双层结构实现轨道霍尔效应驱动的磁隧道结，实现皮秒级磁开关和低驱动电压的突破性进展。
2025-04-11 cond-mat.mtrl-sci
Experimental Demonstration of the Co-existence of the Spin Hall and Rashba Effects in beta-Tantalum/Ferromagnet Bilayers
我们已经在室温下使用FMR技术测量了β-Ta/Co_（20）Fe_（60）B_（20）双层膜的自旋扭矩与Ta厚度的关系。自旋霍尔系数的计算都从观察到的变化与Ta厚度的铁磁体的阻尼系数，并从FMR信号的对称和反对称分量的比率。这两种方法的结果分别得出自旋霍尔系数为-0.090+/-0.005和-0.11+/-0.01。我们还确定了一个显着的面外自旋扭矩来自Ta，这是恒定的Ta厚度。我们将此归因于界面自旋轨道耦合，或Rashba效应，由于强度和恒定的扭矩与Ta厚度。通过将测量数据拟合到包括界面自旋轨道耦合的模型，我们确定β-钽的自旋扩散长度为~2.5 nm。
2014-11-03 cond-mat.mtrl-sci
Observation of magnon torques mediated by orbital hybridization at the light metal/antiferromagnetic insulator interface
National University of Singapore（新加坡国立大学）；Tohoku University（东北大学）
本研究在轻金属/反铁磁绝缘体界面观察到由轨道杂化介导的磁子扭矩，实现了更高的效率和更低的功耗
2026-01-09 cond-mat.mtrl-sci
Quantitative characterization of the spin orbit torque using harmonic Hall voltage measurements
对电流感应转矩的深入理解是发展双磁性异质结构中电流和电压控制磁化动力学的关键。为了估计这种力矩或有效磁场的大小和方向，已经采用了许多方法。在这里，我们研究绝热（低频）谐波霍尔电压测量，已被用来研究有效字段。我们推导出一个解析公式的谐波霍尔电压，以评估的有效字段为面外和面内磁化系统。该公式与基于宏观自旋模型的数值计算结果一致。利用该公式对两种不同的面内磁化膜Pt |CoFeB| MgO和CuIr |CoFeB| MgO进行了研究。后一个系统获得的有效字段显示出相对较好的协议，估计使用自旋扭矩切换相图测量先前报道。我们的研究结果说明了通用的适用性谐波霍尔电压测量研究电流感应转矩的磁性异质结构。
2013-10-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Synchronization of spin torque oscillators through spin Hall magnetoresistance
自旋力矩振荡器放置在一个重金属上，由于自旋霍尔磁阻效应的耦合，显示出同步的自振荡。在这里，我们研究了一个系统有两个自旋力矩振荡器的自旋霍尔转矩的影响下，并表明，切换外部电流的方向，使我们能够控制相位差的同步同相和反相之间。
2017-10-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci nlin.AO
Spin-orbit torque generation in NiFe/IrO2 bilayers
5d过渡金属氧化物具有由强自旋轨道耦合主导的独特电子结构，因此它们可以成为探索自旋电流物理的有趣平台。在这里，我们报告从导电的5D氧化铱，IrO2的自旋轨道扭矩（SOT）的室温生成。通过测量Ni_（81）Fe_（19）/IrO_2双层膜的二次谐波霍尔电阻，发现了类阻尼和类场SOT。前者比后者大，使得能够更容易地控制磁化。我们还观察到，阻尼SOT效率有一个显着的依赖于IrO2的厚度，这是很好地描述了基于体自旋霍尔效应的漂移扩散模型。我们推导出有效自旋霍尔角为+0.093 ± 0.003，自旋扩散长度为1.7 ± 0.2nm。通过与对照样品Pt和Ir的比较，我们发现IrO2的有效自旋霍尔角与Pt相当，比Ir高7倍。与dampinglike SOT相比，类场SOT的效率与厚度无明显的依赖关系，具有负值。这表明类场SOT可能源于界面。这些实验结果表明，5d过渡金属氧化物的电子结构的独特性对于高效的电荷到自旋电流转换至关重要。
2021-10-05 cond-mat.mtrl-sci
Quantification of the spin-Hall anti-damping torque with a resonance spectrometer
我们提出了一种简单的技术，使用基于腔的共振光谱仪量化的反阻尼扭矩由于自旋霍尔效应。在亚毫米宽的双层条带中，观察到铁磁共振的修改作为小直流电流的函数，由软磁FeGaB和强自旋霍尔金属Ta组成。从检测到的电流引起的线宽的变化，我们得到一个有效的自旋霍尔角为0.08-0.09独立的磁性层厚度。我们的研究结果表明，一个灵敏的共振光谱仪可以是一个通用的工具，调查自旋霍尔效应在各种材料系统，即使是那些几乎没有低电导率和磁阻。
2014-11-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Spin transfer torque devices utilizing the giant spin Hall effect of tungsten
本文报道了β-W薄膜中的巨自旋霍尔效应。利用自旋矩诱导的β-W/CoFeB双层微带铁磁共振，我们确定了自旋霍尔角为|θ| =0.30 \pm 0.02，大到足以使面内电流有效地反转与薄β-W层相邻的纳米级磁性隧道结的面内磁化CoFeB自由层的取向。根据用这种三端器件获得的开关数据，我们独立地确定|θ| =0.33 \pm 0.06。我们还报告了自旋霍尔开关效率的变化与W层的不同折射率，因此可变（α和β）相组成。
2012-08-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Effects of transition-metal spacers on the spin-orbit torques, spin Hall magnetoresistance, and magnetic anisotropy of Pt/Co bilayers
我们研究了在Pt/Co界面处插入0.5 nm厚的间隔层（Ti，V，Cr，Mo，W）对自旋轨道力矩、霍尔效应、磁电阻、饱和磁化强度和磁各向异性的影响。我们发现，阻尼样的自旋轨道扭矩大幅减少，为所有样品与间隔层相比，参考Pt/Co双层，一致的原子自旋轨道耦合常数的间隔元件相对于Pt的相反符号。对于等电子的3d、4d和5d元素，除了V具有比Cr更强的影响之外，阻尼类扭矩的减小与原子序数单调。类场自旋轨道扭矩几乎消失的所有间隔层，无论其组成，这表明该扭矩主要起源于Pt/Co界面。异常霍尔效应、磁阻和饱和磁化强度也都显著降低，而薄层电阻在存在间隔层的情况下增加。最后，我们证明了自旋轨道力矩的幅度，自旋霍尔类磁阻，和垂直磁各向异性之间的相关性。这些结果突出了重金属/铁磁系统的磁输运性质的显着影响的重金属/铁磁间隔层。
2020-02-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Spin transfer torques generated by the anomalous Hall effect and anisotropic magnetoresistance
铁磁体中的自旋-轨道耦合引起反常霍尔效应和各向异性磁阻，这两者都可以用于以与自旋霍尔效应类似的方式产生自旋转移转矩。在本文中，我们将展示如何利用这些效应来可靠地切换垂直磁化层和移动畴壁。反常霍尔效应和各向异性磁阻的漂移扩散处理描述了在垂直于电场的方向上流动的自旋电流。在具有由间隔层分开的两个铁磁层的系统中，面内电场导致自旋电流从一个层注入到另一个层中，从而产生自旋转移转矩。与非磁性材料中的相关自旋霍尔效应不同，异常霍尔效应和各向异性磁阻允许通过改变注入层中的磁化方向来控制注入自旋的取向，并因此控制转矩。在一个层上的扭矩示出丰富的角度依赖性作为在另一层中的磁化的取向的函数。通过改变固定层中的磁化方向而提供的转矩的控制使得可以可靠地切换垂直磁化的自由层。我们计算的临界电流密度为代表的CoFe/Cu/FePt结构表明，开关可以是有效的适当的材料选择。类似地，磁化方向的控制可以驱动畴壁运动，如NiFe/Cu/NiFe结构所示。
2014-11-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Influence of the Hall-bar geometry on harmonic Hall voltage measurements of spin-orbit torques
谐波霍尔电压测量是一种广泛应用于测量重金属/铁磁体异质结构中自旋轨道感应有效场的定量技术。在霍尔条中的电压拾取线附近，电流是不均匀的，这导致有效场和导出量（例如自旋霍尔角或自旋霍尔电导率）的迄今未量化的减小。在这里，我们提出了一个彻底的分析的影响的电压拾取线的纵横比上的表观自旋霍尔角电流沟道宽度。实验进行了霍尔酒吧与宽范围的纵横比和一个显着减少的自旋霍尔角已经看到在霍尔十字与纵横比为1：1。我们的实验结果证实了有限元模拟的电流。
2018-04-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Current-Induced Instability of a Perpendicular Ferromagnet in Spin Hall Geometry
我们发展了两个铁磁体存在时自旋霍尔力矩的理论公式。虽然传统的自旋霍尔转矩的方向总是指向面内方向，但是本系统能够通过改变另一磁化的方向来操纵作用于一个磁化的转矩方向。基于自旋积累的扩散方程和朗道公式，导出了自旋霍尔力矩的解析表达式。本模型提供了一种利用自旋霍尔效应在零场确定性地切换垂直铁磁体的解决方案。
2016-06-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
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
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
Spin-transfer torque in ferromagnetic bilayers generated by anomalous Hall effect and anisotropic magnetoresistance
本文提出了一个从纵向磁阻测量确定铁磁双层膜中自旋-轨道相互作用激发的自旋转移矩效率的实验方案。在适当的边界条件下求解扩散自旋输运理论，给出了纵向电荷电流密度的解析公式。纵向充电电流具有与自旋转移力矩效率的平方成比例的项，并且还取决于膜厚度与铁磁体的自旋扩散长度的比率。从作为厚度的函数的纵向电阻率的测量中提取该贡献可以给出自旋转移扭矩效率。
2016-10-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Unidirectional spin Hall magnetoresistance and spin-orbit torques in HM$_1$/Co/HM$_2$ trilayer systems
我们提出了一个详细的分析谐波纵向和霍尔电压测量的面内磁化Pt/Co/Ta和Ta/Co/Pt三层参考Pt/Co和Ta/Co双层膜。通过引入与自旋霍尔角符号相反的第二重金属，实现了自旋-轨道力矩（SOTs）和单向自旋霍尔磁阻（USMR）的增强。提取的SOT效率是较大的三层相比，双层，确认增强值报告的三层垂直磁化Co。最大有效自旋霍尔角为Pt/Co/Ta三层达到$θ_{SH}$ = 20%。对于Pt/Co/Ta三层，在10 $^{7}$ A/cm $^2$的充电电流密度下，三层的USMR产生比相应双层高27%的效果，其中最大有效USMR幅度为-0.32 $\times$ 10 $^{-5}$。
2021-11-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Gate voltage modulation of spin-Hall-torque-driven magnetic switching
在未来的磁存储器和非易失性自旋逻辑器件中实现磁化的有效控制的两个有前途的策略是来自自旋极化电流的自旋转移力矩和电压控制的磁各向异性（VCMA）。自旋转移矩作为下一代磁存储器的写入机制正在广泛发展，而VCMA由于更小的欧姆损耗而提供了甚至更好的能量性能的潜力。在这里，我们介绍了一个3端磁性隧道结（MTJ）器件，结合了这两种机制，以实现新的功能：栅极电压调制的自旋扭矩开关。这种选通使得更节能的开关以及用于存储器和逻辑应用的改进的架构成为可能，包括用于制造具有最大密度交叉点几何结构的磁性存储器的简单方法，该方法不需要用于每个MTJ的控制晶体管。
2012-09-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Spin Hall torque driven chiral domain walls in magnetic heterostructures
描述了自旋霍尔力矩驱动下双磁性异质结构中磁畴壁的运动。我们展示了垂直磁化CoFeB的结果|具有各种重金属底层的MgO异质结构。畴壁根据底层材料的不同沿电流流动方向或逆电流流动方向移动。畴壁移动的方向与在这些异质结构中形成的畴壁螺旋的手性相关联。一维模型被用来描述的实验结果和提取参数，如Dzyaloshinskiii-Moriya交换常数，这是负责的畴壁螺旋的形成。本文描述了在磁性异质结构中界面控制所引起的快速效应。
2015-03-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Interface tuned Enhanced and Low Temperature Quenching of Orbital Hall Currents Induce Torque and magnetoresistance in Light Metal/Nickel Bilayers
Indian Institute of Science Education and Research Kolkata（印度科学教育研究学院加尔各答分校）
该研究探究轻金属/铁磁体双层膜中轨道霍尔效应诱导的电流效应，通过测量Ni/Ti薄膜的二次谐波电压提取OHT效率与UOMR，发现Cu中间层及Ti厚度增加可增强两者，低温会淬灭，揭示体轨道霍尔效应为共同机制。
2025-11-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Spin torque switching with the giant spin Hall effect of tantalum
我们报道了β-Ta中的巨大自旋霍尔效应（SHE），其产生的自旋电流足够强，以诱导铁磁体的有效自旋转移矩切换，从而提供了一种新的控制磁性器件的方法，该方法可以优于现有技术。我们量化这SHE由三个独立的方法，并证明自旋扭矩（ST）开关的面外和面内磁化层。我们实现了一个三端设备，利用电流通过一个低阻抗Ta-铁磁体双层的纳米磁体的效果切换，具有较高的阻抗的磁性隧道结读出。这种器件的效率和可靠性，以及其制造的简单性，表明这种三端SHE-ST设计可以消除目前阻碍磁存储器和非易失性自旋逻辑技术发展的主要障碍。
2012-03-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Maximizing the spin-orbit torque efficiency of Pt/Ti multilayers by optimization of the tradeoff between the intrinsic spin Hall conductivity and carrier lifetime
我们报告了一个全面的研究最大化的自旋霍尔比（θSH）在Pt薄膜中的插入亚单层层的Ti，以减少载流子寿命，同时尽量减少并发减少自旋霍尔电导率。我们建立的固有自旋霍尔电导率的Pt，而强大的应变和这些插入所造成的晶体顺序的中度中断，开始迅速下降，在高电阻率水平，因为载流子寿命缩短。在本征自旋霍尔电导率和载流子寿命之间的不可避免的权衡为异质材料设定了θSH >=0.8的实际上限，其中结晶Pt组分是自旋霍尔效应的来源，并且电阻率通过缩短载流子寿命而增加。这项工作还建立了一种非常有前途的自旋霍尔金属[Pt 0.75 nm/Ti 0.2 nm]7/Pt 0.75 nm，用于节能，高耐久性的自旋轨道扭矩技术（例如，存储器、振荡器和逻辑电路），这是由于其结合了0.8的巨大θSH（或相当于0.35的每单位电流密度的阻尼式自旋扭矩效率）、相对较低的电阻率（90 uOhm cm）和对实际技术集成的高度适用性。
2019-08-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
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
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
