18、自旋轨道矩引起的磁化翻转与磁畴壁运动

自旋轨道矩引起的磁化翻转与磁畴壁运动

1. 引言

利用自旋极化电子通过电流注入来控制铁磁体的翻转和磁畴壁运动，与传统的磁场驱动翻转相比，具有功耗更低、可扩展性更强的优势。过去十年，传统的自旋过滤和自旋转移矩机制被用于操控铁磁体。在自旋阀或磁性隧道结中，电子穿过自旋阀的固定层时会被自旋极化，当这些电子进入自由层，会将自旋角动量传递给自由层，从而改变自由层的磁化方向，这也是自旋转移矩磁性随机存取存储器（STT - MRAM）的工作原理，预计在不久的将来它将取代现有的基于半导体的RAM设备。此外，自旋转移矩还可用于驱动低电流脉冲下的铁磁畴壁运动，以实现赛道内存。

最近，一种替代的自旋转移矩机制——自旋轨道矩受到了广泛关注。在重金属或界面的自旋轨道耦合作用下，会产生非平衡的自旋极化传导电子密度。这种非平衡自旋密度通过交换耦合与铁磁体的磁化相互作用，在足够高的电流密度下实现对磁化的操控。在重金属/铁磁体/氧化物多层结构中，自旋轨道矩主要有两个来源：
- Rashba效应 ：当电子在铁磁体中流动时，由于下方重金属和上方氧化物的存在，会形成不对称的晶体场势分布，使电子感受到电场。从电子的参考系来看，由于相对论效应，这个电场会转化为磁场，即Rashba自旋轨道相互作用（SOI）。Rashba SOI会在铁磁体中产生非平衡的传导电子自旋密度，通过交换相互作用与磁矩耦合，从而改变铁磁体的磁矩。
- 自旋霍尔效应（SHE） ：当未极化的电子流经具有高自旋轨道耦合的重金属层（如铂或钽）时，由于自旋霍尔效应，自旋方向相反的电子会在层的厚度方向上分离，从而从电荷电流中产生横向自旋电流。相邻铁磁层吸收该自旋电流，会将自旋矩传递给铁磁体