吴闯文，崔宝山，朱增泰，张广宇， 于国强，梁世恒，王 浩

(1．湖北大学物理与电子科学学院，湖北 武汉 430062) (2．松山湖材料实验室，广东 东莞 523808) (3．中国科学院物理研究所，北京 100190)

1 前 言

自旋电子学作为一门新兴的学科，将电子电荷与自旋两种属性紧密地联系在了一起，其相关应用更是备受关注，如磁读头、磁随机存取存储器(magnetic random access memory，MRAM)、自旋纳米振荡器和自旋逻辑器件等。20世纪末，巨磁电阻(giant magnetoresistance，GMR)效应和隧穿磁电阻(tunneling magnetoresistance，TMR)效应的发现加强了人们对自旋电子学领域重要性的认同，促进了数据存储技术的大力发展[1-3]。1996年，自旋转移矩(spin transfer torque，STT)效应被首次提出，并在不久之后于巨磁电阻器件中得到验证，证明了自旋极化电流可将角动量转移到局域磁矩上，从而实现磁矩有效磁化翻转[4, 5]。此后，基于自旋转移矩效应的磁随机存取存储器(STT-MRAM)应运而生[6]。在此期间，形成了以磁随机存取存储器为核心结构的、具有面内磁各向异性(in-plane magnetic anisotropy，IMA)的磁隧道结(magnetic tunnel junctions，MTJs)。为了进一步提高器件的存储密度，科学家们又开发了以具有垂直磁各向异性(perpendicular magnetic anisotropy，PMA)的磁隧道结为核心的磁随机存取存储器，即p-STT-MRAM[7-9]，如图1a所示。然而，p-STT-MRAM在数据的读写过程中共用了同一路径，严重影响了p-STT-MRAM的使用寿命。此外，由于电流与自旋极化电流的转化效率较低，导致磁矩翻转所需的电流密度较大，从而使基于p-STT-MRAM的器件的功耗较高[10]。为了解决上述问题，科学家们又提出了基于自旋轨道矩(spin-orbit torque，SOT)的SOT-MRAM，如图1b所示[11]。SOT-MRAM的写入端是一层具有强自旋轨道耦合(spin-orbit coupling，SOC)的重金属层，其较强的自旋轨道耦合作用可以将电流转换为自旋流并注入到磁隧道结的自由层，自旋流与磁矩相互作用发生角动量的转移，并以力矩的形式表现出来，该力矩被称为SOT[12-14]。……