基于非相对论性共线反铁磁体自旋劈裂力矩的磁存储器实现无外场翻转

《Nature Communications》：Magnetic memory driven by spin splitting torque in nonrelativistic collinear antiferromagnet

本文报道了研究人员在下一代磁随机存储器（MRAM）技术领域取得重要突破。为解决垂直磁各向异性MRAM中自旋轨道力矩（SOT）写入需要辅助磁场的关键问题，研究团队利用交替磁体RuO2的自旋劈裂力矩（SST）效应，成功实现了三端子SST-MRAM器件的全电学无外场翻转。该研究通过集成(101)-RuO2写入通道与磁性隧道结（MTJ），展示了54%隧道磁电阻（TMR）比和2.1×106A cm-2的低临界开关电流密度，为开发高能效、高耐久性的MRAM技术奠定了坚实基础。

　　

在信息技术飞速发展的今天，磁随机存储器（MRAM）以其非易失性、高速度、低功耗等优势，成为突破摩尔定律限制的下一代存储技术的有力候选者。作为MRAM的核心存储单元，磁性隧道结（MTJ）通过两个铁磁层磁化方向的平行与反平行排列来表征"0"和"1"两种状态，其读取基于隧道磁电阻（TMR）效应。然而，MRAM的写入技术面临着严峻挑战：从最初的磁场驱动（Toggle-MRAM）到自旋转移力矩（STT-MRAM），虽然实现了更低的功耗和更高的存储密度，但STT-MRAM需要高密度电流通过超薄隧道势垒（约1纳米），严重限制了器件耐久性。

三端子自旋轨道力矩MRAM（SOT-MRAM）通过分离读写通道显著改善了器件耐久性，其中自旋力矩由具有强自旋轨道耦合（SOC）的附加层注入。尽管如此，传统SOT-MRAM仍存在固有缺陷：自旋极化方向通常被对称性固定（多为面内方向），因此基于垂直磁各向异性（PMA）MTJ的高密度SOT-MRAM需要额外磁场或对称性设计来辅助翻转，这增加了器件复杂性和功耗。

近年来，交替磁性（altermagnetism）概念的提出为自旋电子学带来了新的机遇。在非相对论性共线反铁磁体中，尽管净磁化强度为零，但其特殊的能带结构导致动量空间中出现显著的自旋劈裂。这种交替磁性材料同时具备反铁磁体的零净磁矩和铁磁体的自旋极化特性，为高效自旋流产生和操控提供了全新平台。其中，RuO₂作为典型的室温金属性交替磁体，其非相对论性自旋劈裂能带结构能够产生独特的自旋劈裂力矩（SST），为开发新型MRAM技术指明了方向。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，由郭雅琴、陈霋等研究人员组成的团队成功演示了基于交替磁性RuO₂的自旋劈裂力矩驱动的磁存储器。研究团队创新性地利用(101)-RuO₂作为写入通道，产生了具有倾斜自旋极化的横向自旋流，首次实现了三端子SST-MRAM器件的全电学无外场翻转，为下一代高性能MRAM技术的发展开辟了新途径。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先通过磁控溅射在Al₂O₃(1-102)衬底上外延生长高质量(101)取向RuO₂薄膜；利用X射线磁线性二向色性（XMLD）技术确定了RuO₂的奈尔矢量方向；制备了RuO₂/Mo/CoFeB/MgO/Ta霍尔器件和完整的RuO₂-pMTJ堆叠结构；通过谐波电压测量、磁光克尔效应（MOKE）显微镜、极化中子反射（PNR）等技术系统表征了SST效应和器件性能；最后结合微磁模拟深入分析了SST驱动的磁化翻转动力学。

Structural properties of the RuO₂layer

研究团队首先成功制备了高质量的(101)取向RuO₂薄膜。X射线衍射显示RuO₂(101)峰具有清晰的Laue振荡和较小的半高宽（0.037°），表明薄膜具有优异的结晶质量。高分辨率扫描透射电子显微镜证实了RuO₂沿[010]方向的异质外延生长，晶格常数为4.51埃。通过XMLD测量，研究人员确定了RuO₂薄膜的反铁磁易轴平行于<001>晶向，其中(101)-RuO₂薄膜的XMLD效应比达到2.2%，为后续SST效应研究奠定了基础。

The emergence of the z-component spin polarization from altermagnetic RuO₂

在RuO₂/Mo/CoFeB/MgO/Ta霍尔器件中，研究人员观测到了显著的z分量自旋极化。当沿φ_c=0°方向施加脉冲电流时，反常霍尔效应（AHE）回线出现明显偏移，表明存在电流诱导的面外有效场H_z^eff。测量得到的面外SST效率为1.02×10^-6Oe A^-1cm²。最重要的是，在零外场下实现了完整的磁化翻转，临界开关电流密度为12.15×10⁶A cm^-2，而沿φ_c=90°方向施加电流时未观察到翻转，这与对称性要求一致。MOKE成像直接观测到了脉冲电流驱动下的磁畴翻转过程，证实了交替磁性SST诱导的无外场翻转。

RuO₂-based SST-MRAM design and characterization

研究团队成功制备了完整的RuO₂-pMTJ堆叠结构，并制作了三端子SST-MRAM器件。扫描透射电子显微镜显示RuO₂与MTJ界面清晰，CoFeB铁磁电极与MgO势垒层界面锐利。器件采用250纳米直径的MTJ作为存储单元，TMR比率达到54%，表明MTJ具有高质量。极化中子反射分析揭示了层分辨的原子和磁化分布，CoFeB层的磁化强度为526 kA m^-1，为器件性能优化提供了重要依据。

All-electrical field-free switching of SST-MRAM

最令人振奋的结果是实现了全电学无外场SST驱动翻转。当在RuO₂写入通道中施加1毫秒的写入电流时，成功实现了pMTJ的电阻态翻转，临界开关电流密度为2.1×10⁶A cm^-2。在零外场下观察到了明显的隧道电阻切换，而在H_x=±40 Oe时表现出相反的开环极性，这反映了由交替磁性自旋劈裂效应（ASSE）和传统SOC共同贡献的y分量自旋极化驱动的标准开关行为。器件的热稳定性因子Δ=64，满足MRAM十年保持时间的要求（Δ=60）。

基于Landau-Lifshitz-Gilbert方程的微磁模拟进一步揭示了无外场写入的物理机制。当自旋极化方向与z轴夹角δ≈35°时，对应于理想晶体结构中电流沿[010]方向的情况，实现了无外场磁化翻转，临界电流密度为6.8×10⁶A cm^-2。模拟结果显示J_c随自旋极化z分量的增加而降低，实验中δ≈35°的倾斜奈尔矢量配置具有相对较低的J_c和更好的能效。

本研究通过利用(101)-RuO₂独特的交替磁性自旋劈裂能带结构，成功产生了沿奈尔矢量方向具有倾斜自旋极化的横向自旋流，从而在相邻的垂直磁各向异性磁矩上产生了z分量自旋力矩。基于这一原理，研究团队在霍尔器件和pMTJ器件中均实现了无外场SST驱动翻转，其中交替磁性SST的z分量有效场通过电流诱导的R_xy-H_z磁滞回线偏移进行了定量表征。这项研究不仅首次在器件层面演示了交替磁性SST驱动的磁存储器，更重要的是为下一代MRAM技术发展提供了新范式——通过灵活调控自旋极化和自旋流方向，有望实现更高能效、更高耐久性的存储解决方案。该工作的成功为全电学、高能效的MRAM应用奠定了坚实基础，预示着交替磁性材料在自旋电子学领域广阔的应用前景。