12、高效节能存储与计算的纳米磁性和自旋电子器件：自旋转移扭矩与隧道磁电阻的多尺度研究

高效节能存储与计算的纳米磁性和自旋电子器件：自旋转移扭矩与隧道磁电阻的多尺度研究

在当今对高效节能存储和计算需求日益增长的背景下，纳米磁性和自旋电子器件展现出了巨大的潜力。本文将深入探讨自旋电子学中的关键现象——自旋转移扭矩（STT）和隧道磁电阻（TMR），特别是在基于氧化镁（MgO）的磁性隧道结（MTJ）中的表现。

1. 自旋转移扭矩与磁性层切换

在磁性层的研究中，自旋转移扭矩对磁性层的切换行为有着重要影响。以平面磁性层为例，通过微磁模拟（图 4.4）可以观察到，正的垂直扭矩有助于反平行（AP）到平行（P）的切换，而负的垂直扭矩则会延迟切换。

微磁模型的近似解析解能帮助我们更好地理解这种切换行为。其中，临界切换电流会受到垂直扭矩的修正，其公式为：
[I_{c}-\alpha B_{1}=\frac{1}{\eta}\frac{2e}{\hbar\alpha\mu_{0}\Omega H_{K}M_{S}}\left(1 + \frac{M_{S}}{2H_{K}}+\frac{H}{H_{K}}\right)]
这里，(H) 是零电压下垂直扭矩产生的有效场，(B_{1}) 是施加电压产生的额外垂直扭矩。

零电压下的类场扭矩会增加 AP 配置的热稳定性，同时降低 P 配置的稳定性，相关公式如下：
[\Delta_{AP}=\frac{H_{K}M_{S}\Omega}{2k_{B}T}\left(1 + \frac{H}{H_{K}}\right)^{2}]
[\Delta_{P}=\frac{H_{K}M_{S}\Omega}{2k_{B}T}\left(1 - \frac{H}{H_{K}}\right)^{2}]