Nature Nanotechnology：“氧化物自旋电子学”领域取得重要进展

近几天，新加坡国立大学材料科学与工程系Chen Jingsheng课题组在“氧化物自旋电子学”领域取得重要进展。其研究工作首次在氧化物异质结中实现了电流驱动磁化翻转。易智编译从研究意义和成果简介两方面对其进行介绍。易智编译的编辑主要来自于生物医学、材料科学、化学、计算机科学、环境科学等专业领域，如果您有相关领域的论文需要投稿，欢迎到易智编译进行咨询。

文章以“Current-induced magnetization switching in all-oxide heterostructures”为题发表在最新一期的《Nature Nanotechnology》杂志上。文章的合作单位包括新加坡国立大学，上海大学以及河北大学。Liu Liang，Qin Qing，Lin Weinan 三人为文章共同第一作者。通讯作者为 Chen Jingsheng。

一、研究意义

进入21世纪以来，飞速发展的自旋电子学技术旨在研究高速、低功耗的电子元器件。与传统电子学利用电子的电荷不同，自旋电子学利用电子的自旋作为信息传输载体。在纯自旋流的情况下，传输通道没有耗散，即不会发热；同时，得益于自旋相干效应，信息具有很快的传输速度。

在自旋电子学中，磁信息的写入，传输和读取构成三要素。在最早的研究中，磁化翻转或者操控只能利用外加磁场，比如硬盘的写头。这种方式的局限在于写速度受限于写头的移动速度。

在上个世纪末，Slonczewski和Berger等提出，可以利用自旋极化电流产生的转移矩来翻转磁化方向，这种效应被称之为自旋转移矩（STT）效应。这开启了电流控制磁矩的研究序幕。2011年到2012年，Liu luqiao等人提出可以利用Pt，Ta等重金属材料的自旋霍尔效应（SHE）来产生自旋极化，这种自旋极化传输到邻近的铁磁层(Co)就可以产生STT，驱动铁磁层的磁化翻转。

同期Miron等也在Pt/Co/AlOx的结构中发现了电流驱动的磁化翻转，并将其归因于界面对称破缺引起的Rashba效应。而后续众多研究对这种重金属层/铁磁层（HM/FM）的异质结构中的物理机制做了深入探索，并将这种借助强的自旋轨道耦合效应（SOC）产生的有效磁场作用于磁矩的过程称之为自旋轨道矩（SOT）。

长期以来，对于SOT的研究主要集中在过渡金属及其合金以及拓扑绝缘体。而在另一大类的材料体系，过渡金属氧化物，相应的研究工作比较少。过渡金属氧化物是一个很大的材料体系，有着丰富的物理性质，比如强的SOC和不可忽略的电子关联作用。系统地研究过渡金属氧化物体系的SOT不仅具有重大的学术价值，也可能为以后的市场应用做铺垫。

过渡金属氧化物与金属体系一样，也有丰富的铁磁和非铁磁成员。在过往二十年，为了实现 “氧化物自旋电子学”的目标，研究者在以下三个领域进行了有效地尝试：1.锰氧化物等的庞磁阻以及由此衍生的高自旋极化的自旋注入和探测器件，比如氧化物磁性隧道结；2. 多铁氧化物中的电压控制磁化方向，比如铋铁氧；3.在氧化物铁磁材料中，通过压电效应控制的磁各向异性或者磁畴动力学。这些研究对于了解过渡金属氧化物的丰富物性提供了依据，同时也为潜在应用铺平了道路。

而在最近几年研究者们开始研究另一种实现“氧化物自旋电子学”的途径，即利用过渡金属氧化物的自旋轨道耦合（SOC）性质实现对磁性的调控。一方面，研究者在寻找SOC强的过渡金属氧化物，研究的是 氧化物/铁磁金属 异质结（ITO/Py，LAO/STO/Py，IrO2/Py， SrIrO3/Py，Sr2IrO4/Py，SrRuO3/Co）的自旋-电荷转换效应（包括反向自旋霍尔效应ISHE和自旋矩铁磁共振效应ST-FMR）。

另外一方面，研究者也在寻找合适的磁性氧化物来替代铁磁金属层，研究的是 重金属/磁性氧化物 异质结（Pt/YIG，Pt/TmIG，Pt/LSMO，Pt/NiO，Pt/Fe2O3，Pt/Cr2O3）的电荷-自旋转换效应（包括电流驱动磁化翻转等）。然而由于电阻率的不匹配以及界面效应，金属氧化物异质结的方案并不利于自旋电流的传输或者SOT效率的提高。基于此，设计出全氧化物的异质结并实现SOT驱动的磁化翻转成为了一个新的挑战。

二、成果简介

新加坡国立大学Chen Jingsheng教授带领的团队主要研究方向包括：高磁各向异性材料在硬盘的应用；多铁材料构建的铁电/铁磁异质结；在新型金属和氧化物体系中利用自旋转移矩和自旋轨道矩实现电流驱动磁化翻转。在自旋电子学方面，该团队以金属体系为基础研究了重金属/铁磁金属异质结(Lin et al., 2018 NPG Asia Materials)，二维材料/铁磁金属异质结（Xie et al., 2019 Advanced Materials），以及反铁磁（Zhou et al., 2019 Science Advances）等体系的电荷-自旋转移效应。

而在氧化物体系中，该团队从2013年开始，对两个经典的磁性氧化物LSMO和SrRuO3进行了详细的研究。在 LSMO中实现了极低Gilbert阻尼系数（Qin et al., 2017 APL）。在SrRuO3中，利用控制应力（通过氧压，膜厚和衬底等）来调控磁晶各向异性（Lu et al., 2013 JAP; 2013 PRB; 2015 Scientific Report）。在此基础上，设计并制备了高质量外延的SrIrO3/SrRuO3异质结(本文工作)，其中SrIrO3由于很强的SOC可以在通电流的情况下产生非平衡的自旋积累，并以自旋电流的方式进入相邻的SrRuO3磁性层产生SOT效应。该团队通过输入电流的极性控制SOT，实现磁化方向定向反转。

更重要的是，在SrRuO3的薄膜生长时通过控制氧压，可以连续调节磁化易轴（EA）偏离垂直方向的角度。这打破了SOT的旋转对称性，从而实现了零外磁场的条件下电流驱动的磁化翻转。这种通过生长控制磁化方向从而实现零磁场SOT翻转的方式，具有重要的应用前景。与传统的通过界面反铁磁交换偏置实现零场SOT翻转相比，SrIrO3/SrRuO3的零场SOT翻转不是界面效应，并且可以抵抗更高的外磁场（1000 Oe）干扰，同时具有更好的耐用性。

此外，通过二次谐波方法，该团队测定了SrIrO3/SrRuO3体系的SOT转换效率高达0.58-0.86，超过了金属异质结的对应值。同时，他们还在STO（110）衬底上的SrIrO3/SrRuO3异质结中发现了各向异性的SOT效应，验证了前人的理论。

该工作首次在氧化物异质结实现了电流驱动磁化翻转。对此，审稿人给出了高度评价，认为这是一个非常及时的研究结果，其很好地拓宽了SOT器件的材料范围。并且，零场SOT 翻转的实现对于SOT器件有着至关重要的作用，在低功耗自旋电子器件方面有很好的应用前景。

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