自旋轨道矩（spin-orbit torque, 以下简称SOT）是近年来发展起来的新一代电流驱动磁化翻转技术，具有信息写入速度快、功耗低、耐久度高、稳定性好等独特优势，是未来非易失性存储器的理想选择方案之一。通常，非磁/铁磁双层膜结构中由SOT所产生的有效磁场指向面内方向，因此对于垂直磁化的铁磁层而言，需要引入外加磁场等额外的对称性破缺才能实现定向的磁化翻转。如何通过原理创新，突破零磁场下SOT诱导磁化定向翻转的难题，在当今自旋电子学领域具有重要的理论和应用价值。 

中科院半导体所半导体超晶格国家重点实验室研究员王开友等人，近年来通过引入自旋流密度梯度[Nature Materials, 2017, 16(7): 712]和内置面内耦合磁场[Advanced Electronic Materials, 2018, 4(9): 1808104]等方法，成功实现了零磁场、可重构的SOT诱导磁化定向翻转；在此基础上，他们还演示了全电控自旋逻辑[IEEE Electron Device Letters, 2019, 40(9): 1554]和自旋人工突触可塑性功能[Advanced Functional Materials, 2019, 29(25): 1808104]。 

最近，该研究团队又提出并在实验上验证了横向自旋轨道矩（Lateral SOT，以下简称LSOT）诱导的垂直磁化定向翻转。如图1所示，他们利用局域激光退火获得了不对称的非磁/铁磁水平异质结构，发现在零外加磁场下，即使没有垂直方向自旋流的注入，仅仅利用LSOT就可以实现零磁性下垂直磁化的完全定向翻转，其翻转取向仅取决于局域激光退火的位置。该结果突破了SOT对传统非磁/铁磁双层膜体系中垂直自旋流注入的依赖。该成果以题为 “Deterministic magnetization switching using lateral spin-orbit torque”的论文发表在《先进材料》上[Advanced Materials, 2020, 32(16): 1907929]。半导体所王开友研究员为论文通讯作者，已出站博士后曹易和博士生盛宇为论文共同第一作者，合作者包括半导体所姬扬研究员和郑厚植院士、以及英国诺丁汉大学Kevin William Edmonds副教授。 

图1 局域激光退火后Pt/Co/Pt结构中由LSOT诱导的Co层磁化定向翻转。当上下Pt厚度分别为3nm和2.6nm时，来自它们的传统SOT效应几乎相互抵消，而垂直磁化的Co层依然可以在LSOT诱导下实现完全的定向翻转。  

      在此基础上，他们进一步在实验上演示了一种可编程的互补型LSOT逻辑器件。如图2所示，基于一对激光局域退火位置分别在-y和+y方向的LSOT器件，利用电流初始化对逻辑功能进行编程，分别实现了AND，OR，NAND和NOR等逻辑门，并演示了利用3个LSOT器件组合而成的原型半加器。此外，将磁化状态作为一种逻辑输入，即可利用工作电流对逻辑功能进行编程，实现无需初始化的存算一体逻辑操作，演示了包括IMP（蕴涵门）在内的多种状态逻辑门（stateful logic gate）。这种互补型LSOT逻辑单元，在器件层面为非冯·诺伊曼式的存内计算方案提供了一种可行的思路。该成果以题目为“Complementary lateral-spin-orbit building blocks for programmable logic and in-memory computing”的论文发表在《先进电子材料》上 [Advanced Electronic Materials, 2020, DOI: 10.1002/aelm.202000296]。半导体所王开友研究员为论文通讯作者，博士生张楠和已出站博士后曹易为论文共同第一作者，合作者包括半导体所姬扬研究员和郑厚植院士、以及英国诺丁汉大学Andrew W. Rushforth副教授。 

图2 翻转取向互补的一对LSOT器件的布尔逻辑操作示例 

该系列研究工作得到了中科院前沿科学重点研究项目、科技部重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金重点研究专题、以及王宽诚教育基金等经费支持。 

文章链接： 

1. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907929 

2. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.202000296