近期，兰州大学物理学院于东星青年研究员、贾成龙教授与浙江大学物理学院杨洪新教授、常凯院士，以及南京大学和中国科学院宁波材料技术与工程研究所科研人员合作在物理学顶级期刊《Physical Review Letters》上发表了题为“Voltage-Controlled Bimeron-Torques Switching of In-Plane Magnetization”的研究论文[Phys. Rev. Lett. 133, 206701 (2024)]。该工作提出了通过利用双半子(Bimeron：一种拓扑磁结构)力矩转移自旋角动量，实现电压控制面内磁矩翻转的全新磁写入。
图1. Bimeron力矩磁随机存储器(bimeron-torques MRAM)示意图。
磁矩的写入，即磁矩的翻转操作，是自旋电子学的最核心研究内容之一。当前主流的磁写入机制主要是电流驱动的自旋转移力矩(spin-transfer torque，STT)和自旋轨道力矩(spin-orbit torque，SOT)，因预言STT并催生了电流控制纳米磁结构领域(For predicting spin-transfer torque and opening the field of current-induced control over magnetic nanostructures.)，John Slonczewski 和Luc Berger获得了2013年APS Buckley奖。然而，随着信息存储对高比特存储密度、高速读写以及低功耗的要求，发展更小尺寸的磁介质以及更低功耗的磁写入方式成为了自旋电子学的核心竞争领域。
针对这一关键科学问题，该团队与合作者提出了反对称交换力矩翻转垂直磁的全电压控制机理，为磁随机存储器(MRAM)的写入功能操作提供了新机制[Phys. Rev. Lett. 130, 056701 (2023)，ESI高被引论文]。同时，利用Dzyaloshinskii-Moriya (DM)相互作用势垒及电控磁斯格明子的手性转换特性，理论上实现了单纳米赛道基本布尔逻辑门的构建和重构 [Natl. Sci. Rev. 9, nwac021 (2022)]。
近日，该团队与合作者又创新性地提出一种新的磁写入方式：电压控制双半子(Bimeron)力矩驱动面内磁矩翻转[Phys. Rev. Lett. 133, 206701 (2024)]。Bimeron是和磁斯格明子相对应的一种拓扑磁结构，该工作提出利用电压控制的DM相互作用可以实现对其手性控制，而Bimeron在其手性转换过程中能够将自旋角动量传递给周围磁矩，进而改变磁体的磁化方向(见图1)，实现面内磁化方向的180度可控翻转操作(见图2)。
图2. (a)用于产生Bimeron力矩的交变脉冲电压；(b) Bimeron力矩驱动的平均面内磁化<mx>的正向切换(0-2.7 ns)和反向切换(2.7-5.4 ns)；(c)对应于(b)中面内磁化切换的Bimeron动力学。长实箭头表示铁磁背景方向。
该Bimeron力矩驱动面内磁翻转方法扩展了自旋角动量载体的范围，巧妙地利用纳米级拓扑磁结构的净磁矩实现了不需要移动电子参与即可转移并传递自旋角动量，从机理上避免了电子运动和碰撞引发的焦耳热问题，为低功耗磁随机存储器(MRAM)的写入操作提供了一种全新高效可选的方案。
该项研究得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金和“111”引智计划等项目的资助。
相关论文信息：
[1] Dongxing Yu, Yonglong Ga, Peng Li, Jiawei Jiang, Jinghua Liang, Liming Wang, Chenglong Jia*, Kai Chang*, and Hongxin Yang*, Voltage-Controlled Bimeron-Torques Switching of In-plane Magnetization, Phys. Rev. Lett. 133, 206701 (2024).
[2] Dongxing Yu, Yonglong Ga, Jinghua Liang, Chenglong Jia*, and Hongxin Yang*, Voltage-Controlled Dzyaloshinskii-Moriya Interaction Torque Switching of Perpendicular Magnetization, Phys. Rev. Lett. 130, 056701 (2023).
[3] Dongxing Yu, Hongxin Yang*, Mairbek Chshiev, and Albert Fert, Skyrmions-based logic gates in one single nanotrack completely reconstructed via chirality barrier, Natl. Sci. Rev. 9, nwac021 (2022).
