近日，北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、人工微结构与介观物理国家重点实验室杨金波教授与罗昭初研究员课题组在室温范德华铁磁材料Fe3GaTe2与重金属Pt的异质结中，观测到了电流诱导的高效自旋力矩，并通过设计对称性破缺的几何结构实现了无磁场辅助的电流驱动磁化翻转过程。相关成果以《室温范德华磁体中高效的电流诱导自旋力矩与无场磁化翻转》“Efficient current-induced spin torques and field-free magnetization switching in a room-temperature van der Waals magnet”为题，于2023年12 月8日在线发表于《科学·进展》（Science Advances）。
范德华材料中磁性的发现为新兴自旋电子学现象的研究提供了独特的材料平台。特别地，由于其没有悬空化学键的干净界面，范德华磁体有望构建优越的界面，从而可以有效地对磁性进行电操控。尽管人们进行了多次尝试，但上述电操控过程通常需要低温条件与外部磁场的辅助，并不利于实际应用。
在这项工作中，研究团队制备了高质量室温铁磁性Fe3GaTe2/重金属异质结，并研究了电流诱导的自旋力矩效应（图1）。电流诱导的自旋力矩可以促进或抑制Fe3GaTe2中的磁畴壁运动，具有高自旋力矩效率（45.5 Oe MA-1 cm2）。不仅如此，可以在室温下以相对较低的翻转电流密度（4.8 MA cm-2）实现垂直磁化的完全翻转。研究团队还通过部分覆盖Fe3GaTe2的一侧边缘设计了不对称的器件几何结构，并观测到了由于额外的面外极化自旋流产生的无场磁化翻转操作。工作揭示了Fe3GaTe2/重金属异质结在低功耗、可靠与可扩展的自旋电子器件中应用的可能性。
图1 范德华磁体Fe3GaTe2/重金属异质结与电流驱动无场磁化翻转
这项工作验证了构筑高效、可靠且可扩展的范德华自旋电子学器件的可能。鉴于该工作的实验现象与理论解释，强调了范德华材料的潜力以及它们与先进的自旋电子技术的兼容性，可以研究基于全范德华室温自旋电子学器件的完全翻转与无磁场翻转的同时实现，以提高范德华磁体的竞争力。
北京大学物理学院“博雅”博士后贠超、2023级博士研究生郭浩然为共同第一作者；北京大学物理学院杨金波教授、罗昭初研究员、贠超博士和北京大学材料科学与工程学院侯仰龙教授为该论文共同通讯作者。其他主要合作者还包括北京大学材料科学与工程学院彭丽聪研究员、南京航空航天大学李伟伟教授以及南开大学宁帅副研究员等。
上述研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等支持。
论文原文链接
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj3955
