近日，我校電子信息學(xué)院磁電子器件與系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)以杭州電子科技大學(xué)為第一單位，以封面文章在頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Advanced Functional Materials (SCI 1區(qū)Top, 影響因子19.924)上發(fā)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(xué)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(dǎo)的博士研究生，目前已發(fā)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(fā)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)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(xué)）在材料制備方面的支持、熊龍?jiān)诶碚撚?jì)算與模擬方面的指導(dǎo)。
人工反鐵磁結(jié)合了鐵磁和反鐵磁二者的優(yōu)點(diǎn)，其作為磁隧道結(jié)中的自由層可以大大增強(qiáng)熱穩(wěn)定性，降低開關(guān)電流密度，最小化雜散場，并提高開關(guān)速度，在非易失信息存儲(chǔ)和存算一體化領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景。利用自旋軌道轉(zhuǎn)矩(SOT)調(diào)控垂直磁化人工反鐵磁的磁矩通常需要面內(nèi)輔助磁場，這限制了它的實(shí)際應(yīng)用。
文章根據(jù)鐵磁層間的耦合場強(qiáng)烈依賴于隔離層Ru的厚度，提出在兩個(gè)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(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)額外的作用力，導(dǎo)致了對稱性破缺，實(shí)現(xiàn)了垂直磁化的人工鐵磁和反鐵磁的無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)。
圖1. 電流驅(qū)動(dòng)的自旋動(dòng)力學(xué)模型和磁性表征
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（如圖2所示），無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)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(wěn)定性和可靠性也在連續(xù)翻轉(zhuǎn)測試中得到證實(shí)。
圖2. 人工反鐵磁/鐵磁交換場梯度誘導(dǎo)的無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)表征
理論模型和數(shù)值模擬表明（如圖3所示），交換場梯度誘導(dǎo)的動(dòng)態(tài)非共線自旋織構(gòu)導(dǎo)致了無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)，而交換場梯度的正負(fù)決定了無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)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(guān)，也就是可同時(shí)實(shí)現(xiàn)可靠的無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)以及高的SOT效率。這些結(jié)果為實(shí)現(xiàn)垂直磁化人工反鐵磁的無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)以及SOT效率的提高提供了新的途徑，為實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定、高密度、低雜散場和低功率的自旋存儲(chǔ)器件鋪平了道路。
圖3. 人工反鐵磁中無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)的微磁學(xué)模擬
