仪器情报，科学家在新型异质结中取得最新观察！

【科学背景】

磁自旋波（或磁振子）是有序磁性材料中的基本激发态，具有在绝缘体中传输自旋角动量的能力，这使得它们在自旋电子学中成为研究热点。然而，利用磁振子进行有效的磁化切换仍面临挑战，特别是如何在没有外部磁场的情况下实现垂直磁化切换。传统的磁振子设备通常依赖于电流诱导的平面内反阻尼扭矩，这需要外部磁场辅助，且在能效和可扩展性方面存在局限性。

为了解决这一问题，新加坡国立大学Hyunsoo Yang教授团队提出了一种新型的材料系统——WTe2/反铁磁绝缘体NiO/铁磁体CoFeB异质结构。该系统利用WTe2中的自旋电流激发磁振子电流，并通过NiO层传输到铁磁层，从而施加出平面反阻尼磁振子扭矩。

研究表明，这种出平面扭矩可以在室温下实现无外部磁场的垂直磁化切换，显著降低了功耗，相比于传统拓扑绝缘体系统，功耗降低了190倍。此外，不同的自旋源层和反铁磁层的晶体取向有望进一步增强出平面磁振子扭矩的强度。这些研究成果为实现全电气、低功耗的自旋电子学设备奠定了基础，同时推动了磁振子在高密度存储、非易失性存储器以及超快操作等领域的应用。

【科学亮点】

（1）实验首次在WTe2/NiO/CoFeB异质结构中实现了出平面反阻尼磁振子扭矩。这种磁振子扭矩使得在没有外部磁场的情况下可以切换垂直磁化方向。

（2）实验通过以下步骤得到了显著结果：

• 磁振子扭矩的产生：作者通过调节电流方向与WTe2晶体轴之间的角度，控制了自旋电流及其对应的磁振子扭矩。WTe2作为自旋电流源，与NiO层结合后，产生了可传递至铁磁层的出平面磁振子扭矩。

• 功耗显著降低：在PtTe2/WTe2/NiO/CoFeB异质结构中，与Bi2Te3/NiO/CoFeB对照样品相比，功耗降低了190倍。该降低主要得益于出平面反阻尼磁振子扭矩，而对照样品仅展现平面内磁振子扭矩。

• 磁振子扭矩效率：尽管磁振子电流的效率低于电子介导的对应物，这一降低主要由于磁振子的转换和传输过程中自旋角动量的损失。通过材料和界面的优化，磁振子扭矩的效率有望提高。

【科学图文】

图1：平面外反阻尼磁振子力矩的观测。

图2： 在WTe2 (8 nm)/NiO (25 nm)/CoFeB异质结构中，垂直磁化的磁振子转矩驱动翻转。

图3： 在WTe2 (8 nm)/NiO (t)/CoFeB中，自旋-轨道力矩的NiO厚度依赖性。

图4：在PtTe2 (d)/WTe2 (8-d)/NiO (25 nm)/FM中，垂直磁化和高自旋霍尔电导率的无场翻转。

【科学结论】

本文通过在WTe2/NiO/FM异质结构中首次展示出平面外反阻尼磁振子扭矩，研究揭示了在绝缘磁性材料中能够实现无外部磁场的垂直磁化切换。这一发现突破了传统依赖外部磁场的磁化切换方式，为低功耗自旋电子学器件的发展提供了新的思路。WTe2作为自旋电流源，结合了其独特的晶体对称性，有效地控制了自旋电流和磁振子扭矩，显示了材料设计在自旋电子学中的关键作用。

其次，实验结果表明，通过调整自旋源层的不同材料和反铁磁层的晶体取向，可以显著增强出平面反阻尼磁振子扭矩，这为进一步优化磁振子设备的性能提供了重要的指导。研究还揭示了磁振子扭矩效率受限于磁振子的转换和传输过程中的自旋角动量损失，强调了材料和界面优化的重要性。这一发现提示作者，在未来的研究中，应聚焦于减少这些损失，以提高磁振子扭矩的效率。

原文详情：Wang, F., Shi, G., Yang, D. et al. Deterministic switching of perpendicular magnetization by out-of-plane anti-damping magnon torques. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01741-y