近日，我校電子信息學院磁電子器件與系統團隊以杭州電子科技大學為第一單位，以封面文章在頂級學術期刊Advanced Functional Materials (SCI 1區Top, 影響因子19.924)上發表研究論文 Field-Free Spin-Orbit Torque Switching in Synthetic Ferro and Antiferromagents with Exchange Field Gradient。電子信息學院博士研究生樊浩東和金蒙豪老師為共同第一作者，我校李文鈞教授和周鐵軍教授為共同通訊作者。樊浩東為李文鈞教授和周鐵軍教授共同指導的博士研究生，目前已發表多篇SCI Top期刊論文，包括ACS Applied Materials & Interfaces, Applied Physics Letters等。

該研究得到了浙江省“尖兵”研發項目、國家自然科學基金、浙江省重點研發計劃等項目的支持。本工作得到張雪峰教授和張鑒教授（杭州電子科技大學）在材料制備方面的支持、熊龍在理論計算與模擬方面的指導。

人工反鐵磁結合了鐵磁和反鐵磁二者的優點，其作為磁隧道結中的自由層可以大大增強熱穩定性，降低開關電流密度，最小化雜散場，并提高開關速度，在非易失信息存儲和存算一體化領域具有十分廣泛的應用前景。利用自旋軌道轉矩(SOT)調控垂直磁化人工反鐵磁的磁矩通常需要面內輔助磁場，這限制了它的實際應用。

文章根據鐵磁層間的耦合場強烈依賴于隔離層Ru的厚度，提出在兩個薄鐵磁層之間插入輕微楔形Ru（如圖1所示），將交換場梯度引入垂直磁化的人工鐵磁和反鐵磁體中，這使系統產生一個額外的作用力，導致了對稱性破缺，實現了垂直磁化的人工鐵磁和反鐵磁的無磁場磁矩翻轉。

圖1. 電流驅動的自旋動力學模型和磁性表征

實驗結果表明（如圖2所示），無磁場磁矩翻轉和SOT有效場的大小依賴于交換場梯度（Ru的厚度）的大小。其穩定性和可靠性也在連續翻轉測試中得到證實。

圖2. 人工反鐵磁/鐵磁交換場梯度誘導的無磁場磁矩翻轉表征

理論模型和數值模擬表明（如圖3所示），交換場梯度誘導的動態非共線自旋織構導致了無磁場磁矩翻轉，而交換場梯度的正負決定了無磁場磁矩翻轉的極性。此外，SOT效率的大小與反鐵磁交換耦合場的大小正相關，也就是可同時實現可靠的無磁場磁矩翻轉以及高的SOT效率。這些結果為實現垂直磁化人工反鐵磁的無磁場磁矩翻轉以及SOT效率的提高提供了新的途徑，為實現高穩定、高密度、低雜散場和低功率的自旋存儲器件鋪平了道路。

圖3. 人工反鐵磁中無磁場磁矩翻轉的微磁學模擬