（通讯员 许云丽）近日，我校湖北省弱磁探测工程技术研究中心与电子科技大学电子薄膜与集成器件全国重点实验室合作，通过利用稀土金属构建界面反铁磁耦合结构NiFe/Pt1-x(GdOy)x，实现了自旋轨道力矩(Spin-Orbit Torque, SOT)的符号反转，为高性能自旋电子器件的设计提供了新思路。相关研究成果以“Sign reversal of spin-orbit torque induced by interfacial antiferromagnetic coupling”为题，发表于国际nature index期刊《Applied Physics Letters》，并被选为Editor's Pick（编辑精选）。
图1 (a) 界面反铁磁耦合的诱导SOT示意图; (b) 插入2nm铜后的SOT示意图。
自旋轨道力矩技术因其在非易失性存储器和逻辑器件中的潜在应用而备受关注。然而，如何高效调控SOT的方向和大小一直是该领域的核心挑战。传统方法主要通过材料选择、界面优化等手段提升SOT效率，但对其符号反转的机制研究较少。本研究通过引入稀土材料钆氧化物掺杂，成功实现了SOT的符号反转，并揭示了界面反铁磁耦合的关键作用。
图2 (a) NiFe/Cu/Pt1-x(GdOy)x和NiFe/Pt1-x(GdOy)x的类阻尼力矩效率ξDL; (b) NiFe/Cu/Pt1-x(GdOy)x和NiFe/Pt1-x(GdOy)x的自旋透明度Tint; (c) 不同掺杂浓度x的 NiFe(2 nm)/Pt1-x(GdOy)x(6 nm)和NiFe(2 nm)/Cu/Pt1-x(GdOy)x(6 nm)样品的饱和磁化强度。
研究团队发现，在Pt1-x(GdOy)x (x ≥ 0.30)复合材料中，NiFe/Pt1-x(GdOy)x界面反铁磁耦合会导致自旋轨道力矩DL-SOT符号反转。通过自旋力矩铁磁共振(ST-FMR)测试证实，插入2nm超薄Cu间隔层可有效抑制这种界面效应，使DL-SOT符号恢复正值，证明了界面耦合在SOT调控中的主导作用。进一步研究发现，界面磁耦合（包括铁磁和反铁磁耦合）可显著提升自旋传输效率，为设计低功耗自旋器件提供了新途径。同时结合超导量子干涉仪技术，观测到Pt1-x(GdOy)x层在界面处诱导的磁矩与NiFe层反平行排列，直接证实了界面反铁磁耦合的存在。该研究不仅深化了对自旋轨道力矩机制的理解，还为稀土材料在自旋电子学中的应用开辟了新方向。通过调控界面耦合，未来可设计出更高效、更灵活的自旋电子器件，推动存储器、传感器和逻辑计算等领域的技术革新。
据悉，《Applied Physics Letters》的Editor's Pick是该期刊对具有较高科学质量的论文进行特别标注的栏目，旨在突出特定研究领域的代表性工作，文章通常要具备创新性突出、实验设计严谨和理论分析深入等特点。我校湖北省弱磁探测工程技术研究中心硕士生曲媛菁为论文第一作者，中心鲁广铎副教授和电子科技大学金立川教授为论文通讯作者，三峡大学为论文第一单位。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划项目、四川省科技支撑项目的支持。
论文链接： https://doi.org/10.1063/5.0263716
通讯作者简介
通讯作者：鲁广铎，三峡大学湖北省弱磁探测工程技术研究中心，副教授，硕士生导师。研究兴趣主要集中在磁性薄膜领域，研究方向包括磁性功能材料和器件、自旋轨道力矩、铁磁/反铁磁材料的电磁性能等。
通讯作者：金立川，电子科技大学电子薄膜与集成器件全国重点实验室，教授，博士生导师。研究领域包括新型自旋电子器件、高质量单晶薄膜技术、量子信息材料及器件等，提拉法生长大尺寸钆镓石榴石单晶技术为国际先进水平。
