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研究基础
所有研究的根源都是自旋电子学，它是研究自旋电流传输的科学。反过来，自旋是基本粒子的适当角动量。近年来，对自旋电子学的兴趣大大增加，这使得发现许多新事物成为可能，包括使用磁阻随机存取存储器（MRAM）中的自旋轨道力矩（自旋轨道转矩产生 SOT）来切换电流。
旋转门是MRAM最重要的组件之一。这些设备由两种或更多种导电磁性材料组成，其电阻可以根据两个层中磁化强度的相对排列在两个值之间变化。
SOT诱导的开关发生在铁磁体-重金属（FM-HM）双层中，由于沿x方向的电流流动，该双层中存在显着的阻尼（抑制振荡）。 SOT是由大部分HM材料中的自旋霍尔效应和FM-HM界面处的反向自旋电流效应引起的。
先前的研究表明，阻尼SOT的值足够大，可以在低电流密度（高达10 7 –10 8 A / cm -2）下切换磁化方向。
可以调整样本参数（例如FM-HM异质结构层的组成和厚度）以确定SOT的大小和符号。但是，正如科学家所说，对SOT本身进行实时动态控制更为重要。
用于获得此控制的节能工具之一是由电场引起的机械应力。科学家们回忆说，通过避免电流需求并因此消除了相关的损耗，变形可以有效地调节磁特性（例如磁各向异性），从而调节平面中薄膜的磁畴结构和动力学。此外，由于变形可以局部应用，因此它为在具有简化架构的设备中开发和实现复杂的开关概念提供了一个平台。
已经尝试研究由于SOT引起的变形对转换的影响，主要是变形对各向异性的影响以及由此产生的对转换的影响。另外，先前的研究仅集中于具有平面磁轴的系统，并且还没有对垂直磁化的多层材料进行实验研究。
然而，根据这项工作的作者，巨大的潜力在于垂直磁化的多层材料。特别是，使用具有垂直磁各向异性的系统（PMA用于垂直磁各向异性）的希望是由于提高了热稳定性，提高了包装密度并改善了结垢。
在我们今天正在考虑的研究中，科学家证明了在压电基板上生长的垂直磁化W = CoFeB = MgO多层膜中的电感应电压控制（机械）SOT。通过二次量化方法和磁传输方法在不同性质和大小的平面电压下估算SOT。
研究成果
已经发现，由施加到压电基板上的电场调制的变形导致明显的自旋响应。
图像＃1
图像1A示出了的示意性横型霍尔传感器*用于测量阻尼（DL）和场在W（5nm）的（FL）SOT场/的CoFeB（0.6纳米）/氧化镁（2纳米）/钽（ 3 nm）。该多层在[Pb（Mg 0.33 Nb 0.66 O 3）] 0.68（011）基板（缩写为PMN-PT）上生长，该基板用于产生机械应力。在图1b上示出了由光学显微镜拍摄的设备照片。
* — .通过向压电PMN-PT（011）基板施加面外直流电场，可以得到单轴面内变形。
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通常，压电变形对施加的电场的响应是磁滞。但是，超过材料的矫顽场特性的电场会使基板极化，并导致所产生的应变具有线性响应的模式。
矫顽力* -使物质完全消磁所需的磁场强度值。通过施加大于相反矫顽场的电场，保持线性模式，直到基板在另一个方向上移动。因此，在第一次测量之前，但在结构化过程之后，通过+400 kV / m的电场对PMN-PT基板施加极化。
此外，所使用的是直流电场，使得可以在线性响应模式下改变变形，因为这可以对感应的变形提供可靠的电控制。
还值得注意的是，霍尔交叉点的制作使其肩部沿PMN-PT（011）基板的[011]和[100]方向定向，分别对应于拉伸和压缩方向。
首先，我们在零直流电场下表征系统的磁滞。
图像1b显示了在0 kV / m时测量到的W = CoFeB = MgO = Ta的平面外磁场（μ0Hz）处的异常霍尔电压线（红线），显示了易轴（易轴）的开关特性套薄的CoFeB多层。
以400 kV / m（黑线）测量的面外磁化周期叠加在霍尔电压（红线）的顶部，并且由于所产生的应变而没有明显变化。这表明该系统始终具有主要的垂直磁各向异性。
图片编号2
上图显示了将密度为j c = 3.8 x 10 10 A / m -2的交流电施加到电流线时，第一（V1ω）和第二（V2ω）霍尔电压谐波的场的典型平面内相关性。 DC电压设置为0，因此没有电压施加到霍尔交叉点。纵向磁场（2a）和横向磁场（2b）的图显示了预期的对称性：对于纵向磁场，沿+ z（+ M z）或-z（-M z）的两个磁化方向的斜率V2ω和磁场的斜率相同。
），而对于横向场，其符号相反。
接着，科学家分析横向（μ 0 ΔH Ť）和纵向（μ 0 ΔH 大号），用于磁化M的两个方向上的SOT字段的部件Ž和确定这些组件的平均值作为施加的电流密度j的函数Ç（图2c）。
图片＃3上
图显示了对电场的依赖性结果。已经确定，在拉伸和压缩变形（3a和3c）下，场（FL）SOT不会显着变化。相反，在3b可以看出，当施加400 kV / m（0.03％电压）时，拉伸变形会使阻尼（DL）SOT倍增。
另一方面，当电流沿着压缩变形的方向流动时，力矩的DL值随着变形的增加而减小。
由此可见，力矩的大小DL随着施加的电拉伸变形而增大，而随着压缩变形而减小。
为了了解实验观察到的FL和DL SOT变形依赖性的微观起源，使用电子结构Fe 1-x Co x / W（001）的密度泛函理论进行了功能计算，该结构由垂直磁化的单层和非磁性衬底组成。
图片编号4
如在图4a中所示，在计算期间，考虑到单轴变形的影响，晶体结构在保持晶胞平面中的恒定面积的同时有意地膨胀或收缩。可以通过比率δ=（a'j -a j）/ a j来量化这种变形，其中a j和a'j分别表示在松弛和扭曲状态下沿j方向在平面中的晶格常数。结果，任何最终变形都会将初始晶体对称性从C 4v降低到C 2v。
根据电子结构的计算，SOT对δ（4b），它具有与实际实验相同的质量特征。
由于FL和DL SOT来自不同的电子状态，因此它们通常遵循不同的结构特征依赖性。已经发现，力矩值DL相对于拉伸变形线性增加，而相对于压缩变形线性减少。例如，沿电场方向将晶格扩展1％会显着增加DL矩的电导率（大约35％）。
为了更准确地评估此观察结果，进行了比较（4c）对松弛和变形薄膜的DL SOT的微观贡献空间分布。与几乎不重要的M点附近的占据状态相反，高对称点Γ，X和Y附近的电子状态是DL电导率的主要来源。尤其是，拉伸变形会在X和Y周围产生强烈的负贡献，从而导致电导率整体增加。
为了将获得的数据与可用的电子结构联系起来，科学家提请注意磁性层中状态的轨道极化，其中d电子是主要力。
而d xy，d x 2 -y 2和d z 2不依赖于所施加的变形δ的符号，状态d yz和d zx相对于拉伸或压缩变形明显改变。值得注意的是，这些轨道还介导了与重金属底物的杂交。由此可见，它们对结构特征的依赖性为研究薄膜中的SOT提供了额外的理解。
例如，科学家提出了与具有四重旋转对称性的情况（4d）相比，考虑磁性层中状态d yz密度的变形变化。
尽管费米能级的状态↓*的密度实际上与拉伸变形无关，但状态↑显然已重新分布。如图4e所示，这是由于X点附近的极化d yz受到δ控制的明显变化，这与电导率DL（4）的变化有关。
旋转通道* -旋转方向（向上或向下）之一。利用从电子结构的计算中获得的数据，科学家发现实验观察到的FL和DL矩特征的不同性质是由于晶格畸变引起的电子态轨道极化的独特变化。
下标s =↑，↓表示铁磁体中电子的自旋态：↑是大多数电子的自旋子带，↓是少数电子的自旋子带。另外，下标s ＝↑，↓表示电子在自旋传导通道中的自旋状态。
要更详尽地了解这项研究的细微差别，建议您查看科学家的报告。
结语
根据这项工作的作者，除了揭示混合状态在FM-HM界面上的关键作用外，研究结果还为人为自旋轨道现象提供了清晰的方案。利用自旋和轨道磁性的复杂相互作用，自旋轨道耦合和对称性，可以适应多层器件中的SOT值，从而在变形方面产生接近费米能量的状态的轨道极化。
还值得注意的是，这项研究扩展了在设计领域中使用电控电压（机械）在垂直磁化多层系统中进行动态SOT调整的设备的工程设计可能性。
这种大声说是由于这样的事实，即变形可以局部产生并叠加在开关区域的选定部分上。因此，可以调节电流密度，使得DL自旋可以在有电压的区域中同时控制磁化方向，而不会影响无电压的区域。然后可以使用不同的电场配置按需修改所选区域，从而提供更高级别的控制。
所有这些意味着，借助于借助于电场的开关区域的特定变形电路，可以创建节能的多层存储单元。
在实验过程中将变形应用于所研究的结构W = CoFeB = MgO导致FL和DL自旋发生明显不同的变化。而且，正如科学家指出的，如果平行于电流施加拉伸变形，则DL自旋可加倍。
换句话说，可以通过调节作用在压电晶体上的电场来直接控制磁开关过程的特性。这导致能耗的显着降低，并且还可以创建用于存储信息的复杂体系结构。
未来，科学家计划继续进行实际实验和相关计算，以找出在何处以及如何改进这一复杂过程。但是，尽管创建这样的系统很复杂，但是它们的潜力却非常高，因为减少能耗不仅可以为信息存储服务的提供者和消费者节省开支，而且还可以大大减轻人类已经对环境造成的巨大压力。
谢谢大家的关注，保持好奇心，祝您一周工作愉快。:)
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