[科普中國]-自旋軌道矩

利用自旋軌道矩（SpinOrbitTorque，SOT）實現(xiàn)快速而可靠的磁化翻轉，有望突破傳統(tǒng)自旋轉移矩的性能瓶頸。這種寫入技術要求在磁隧道結的自由層下方增加一條重金屬薄膜（鉑、鉭、鎢等），流經重金屬薄膜的電流能夠引發(fā)力矩以驅動自由層的磁化翻轉，該力矩的成因仍舊處于探討階段，可能是拉什巴效應、自旋霍爾效應或二者兼有，但根源均是重金屬材料的強自旋軌道耦合作用，因此，該力矩被稱為自旋軌道矩。

研究背景雖然自旋轉移矩是目前MRAM所采用的主流寫入方式，然而，它也存在著難以克服的速度和勢壘可靠性瓶頸。自旋轉移矩的大小與自由層和參考層的磁化向量積呈正相關。寫入之前，兩個鐵磁層的磁化方向幾乎共線（平行或反平行），主要靠熱波動引發(fā)二者之間出現(xiàn)很小的夾角，所以在寫入的初始階段，自旋轉移矩相對微弱，隨著磁化翻轉過程的進行，兩個磁化向量夾角才逐漸增大，自旋轉移矩得以增強。初始時，微弱的自旋轉移矩導致了一個初始延遲，限制了寫入速度。通過增大寫入電流可以減小初始延遲，但同時也增加了勢壘擊穿的概率。初始延遲的存在使STT-MRAM目前還難以滿足高速緩存的性能要求。利用自旋軌道矩（SpinOrbitTorque，SOT）實現(xiàn)快速而可靠的磁化翻轉，有望突破傳統(tǒng)自旋轉移矩的性能瓶頸。這種寫入技術要求在磁隧道結的自由層下方增加一條重金屬薄膜（鉑、鉭、鎢等），流經重金屬薄膜的電流能夠引發(fā)力矩以驅動自由層的磁化翻轉，該力矩的成因仍舊處于探討階段，可能是拉什巴效應、自旋霍爾效應或二者兼有，但根源均是重金屬材料的強自旋軌道耦合作用，因此，該力矩被稱為自旋軌道矩。1

基本原理拉什巴效應

拉什巴效應，是一種二維的界面效應。這個圖是采用自旋軌道矩寫入方式的磁隧道結，我們可以看到，它在三明治結構的下方添加了一個重金屬層，電流從該金屬層中流過，而不像STT一樣穿過磁隧道結。電流在流過金屬時破壞了沿z方向的電子分布對稱性，產生了一個有效的靜場，并且伴隨著垂直于電流方向的非平衡態(tài)自旋密度。不對稱的結構，再加上自旋的效應，這就產生了一個沿水平方向y軸的磁場H，可以使得自由層的磁化方向發(fā)生偏轉。在鐵磁層當中，由于Rashba效應產生的磁場伴隨著s-d軌道的交換相互作用，能夠讓電子自旋傳導給局部磁化M。綜合以上結論，電流作用于鐵磁層能夠產生一個作用于固有磁性的交流調解有效場，這樣我們能夠獲得自旋矩，使得磁性發(fā)生變化。

自旋霍爾效應

自旋霍爾效應，簡而言之就是，電流在順磁性金屬中流動時，會產生橫向自旋失衡，繼而產生自旋流以及自旋霍爾電壓。

當帶自旋和磁矩的電子在鐵磁金屬中經過垂直電場后會感應到一個橫向力?？梢苑钟写艌龊蜔o磁場兩種情況進行討論：當系統(tǒng)中有凈磁場強度時，就會產生與電流流動相關的磁化電流，并且橫向力在垂直于電流的方向會產生靜電失衡現(xiàn)象，因此導致了反?；魻栃Ｈ绻到y(tǒng)中沒有凈磁化強度，順磁性金屬或者摻雜半導體或者高于居里溫度點的鐵磁金屬中，在磁場中產生反常霍爾效應的相同散射機制會將攜帶自旋的電子優(yōu)先散射在垂直于電流流動的方向上，其中一個方向上都是自旋向上的電子，另外一個方向上都是自旋向下的電子，兩側的邊界上會有積累的效應。2

兩種效應的對比首先，他們的來源不同，Rashba效應是一種二維的面效應，一種邊界效應，而SHE是一種體效應，它來源于重金屬層產生的體電流，也就是說在外加電場不變的情況下，我們可以通過改變材料的厚度來改變性能，這一點是Rashba效應無法做到的。第二是它們產生的磁場有一定區(qū)別區(qū)別，Rashba效應產生的磁場是垂直于電流方向的平面磁場，而自旋霍爾產生的是一個閉合的奧斯特場。第三是Rashba效應對于結構反演不對稱有強烈的需求，在結構對稱的情況下會產生其他影響，而自旋霍爾效應則是強調材料的特性（比如自旋霍爾角）。2

與自旋轉移矩對比與自旋轉移矩相比，由拉什巴效應或自旋霍爾效應引起的自旋軌道矩具有兩個顯著的優(yōu)勢:(1)自旋軌道矩來源于重金屬材料，因此寫入路徑不通過磁隧道結，與讀取路徑分開，幾乎避免了勢壘擊穿；(2)對于垂直磁各向異性磁隧道結來說，自旋軌道矩寫入速度更快。在寫入的初始時刻，兩個磁場方向均沿平面方向，與自由層磁化方向垂直，所以，初始的自旋軌道矩比傳統(tǒng)的自旋轉移矩更強，消除了初始延遲。1

研究熱點雖然自旋軌道矩有望解決自旋轉移矩所面臨的速度和勢壘可靠性瓶頸，但它仍舊有一個亟待解決的問題：對于垂直磁各向異性的磁隧道結來說，單獨的自旋軌道矩無法實現(xiàn)確定性的磁化翻轉，磁化在垂直向上和垂直向下兩種狀態(tài)下是等效的，必須沿電流方向外加一個水平磁場破壞這種對稱性才能實現(xiàn)確定性的磁化翻轉，如圖所示。外加磁場的使用增加了電路復雜度，也降低了鐵磁層的熱穩(wěn)定性，成為限制自旋軌道矩應用的最大障礙。如何使自旋軌道矩能夠在無需磁場的條件下完成確定性的磁化翻轉。1

特點基于自旋霍爾效應的自旋軌道矩的具有以下優(yōu)點：首先，由于只需要在三明治結構下方加入一層貴金屬膜用于提供電流，這種幾何形狀易于制造，并且可以具有與常規(guī)雙端MTJ相當的效率。另外，無電流穿過磁隧道結，可以有效防止擊穿隧道勢壘；讀寫電流之間能夠有效地隔離，電流在磁隧道結下方的Ta金屬中流過時（也就是低阻態(tài)）實現(xiàn)磁性翻轉，通過感測磁隧道結的狀態(tài)讀取數據，這種分離方法同時極大地提高了可靠性和輸出信號電平，因此為磁存儲器和非易失性自旋邏輯應用提供了優(yōu)越的方法。1

本詞條內容貢獻者為:

張磊 - 副教授 - 西南大學