非共线自旋霍尔角下电流驱动磁化翻转研究

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当前,如何在零磁场下实现对磁矩有效调控是自旋电子学研究领域重要研究内容之一,通过自旋轨道力矩(SOT)效应而实现电流驱动磁化翻转是实现该调控的一种重要方法。为此理解电流-自旋流相互转换的物理性质非常重要。传统的SOT体系中,如当我们在重金属/磁性材料薄膜中施加膜面内电流时,由于自旋轨道耦合效应重金属层会产生与电流方向垂直的自旋流或自旋累积,从而实现对磁性层磁矩的调控。近期发现在对称性破缺时可能出现非传统的情况,即产生的自旋流中自旋存在多个极化方向。有效自旋霍尔角为自旋流与电流的比值,对于多自旋极化方向的自旋流对应的自旋霍尔角即为本文所提到的非共线自旋霍尔角。在具有非共线自旋霍尔角的电流下会产生非常规的自旋轨道力矩,从而实现电流诱导的自旋轨道力矩在磁化翻转中得到了有效调控和翻转。在本文中使用微磁学仿研究了在自旋源层产生的自旋流存在多种自旋极化下对应的电流驱动磁化翻转情形。在微磁学模拟中我们考虑了电流诱导的Rashba-like自旋极化(Sy)、Dresselhaus-like自旋极化(Sx)和out-of-plane like自旋极化(Sz)自旋流而对于的非共线自旋转移力矩的磁化翻转模拟。主要工作如下:模拟了NM/FM/Oxide多层结构,其中NM作为自旋源层,Oxide为氧化物覆盖层,FM作为铁磁自由层。以自旋力矩比例,/,和,/,的形式描述了自旋流在不同极化方向上分量的比值,分别在不同比值下通过改变电流研究了临界翻转电流随极化比例的关系。研究了磁矩翻转动态过程,以及在确定电流密度下研究了不同极化比值的翻转时间。同时我们研究了Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)以及阻尼系数等对模磁翻转的影响。结果表明,电流诱导的平面外自旋极化可以有效地贡献出out-of-plane damping like力矩,从而在零磁场下实现mz的翻转,同样地,电流诱导的Dresselhaus-like自旋力矩可以翻转mx。我们的结果可能为理解具有非共线自旋霍尔角的自旋源对电流诱导SOT磁化翻转提供新的角度,为自旋电子器件的潜在应用提供了新思路。
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