同時利用“電荷”、“自旋”和“軌道”三大自由度的自旋存算器件是超越摩爾信息技術的重要選項。垂直磁化自旋比特具有10納米以下尺寸保持良好熱穩定性的潛在優勢，但面臨如何實現高能效全電寫入的關鍵技術難題。傳統材料（如自旋霍爾效應材料等）由于對稱性保護只能產生面內橫向極化自旋，其角動量無法翻轉垂直磁化比特。尋找垂直有效磁場和垂直極化自旋的有效產生方法成為近年來的科技前沿熱點。

中國科學院半導體研究所朱禮軍研究員課題組在2022年提出了利用器件構型設計實現垂直自旋器件全電寫入的新方案（ Applied Physics Reviews?2022:?9, 041401；中國專利申請號202210803247.1），分別利用“L”?構型和“C”?構型實驗演示了巨大垂直各向異性Pt/FeTb器件的全電寫入，通過自旋扭矩鐵磁共振等手段，定量確定了其機制為非對稱器件構型產生的垂直奧斯特磁場，打破了反演對稱性，實現了自旋比特的確定性翻轉。

近日，朱禮軍課題組發現：用Ta、Ir等取代非對稱構型器件中的Pt作為自旋霍爾材料可以同時打破? xy 和? xz 鏡面對稱性，進而在自旋霍爾材料中高效產生垂直極化自旋流，且其產生垂直自旋流的效率可與其產生面內極化自旋流的效率相當。基于該機制實驗演示了垂直磁隨機存儲器（p-MRAM）的核心結構——Ta/FeCoB異質結的全電翻轉（圖1），相較文獻中其他全電寫入方案總電流密度降低一個數量級。該方法無需單晶外延結構或任何厚度/組分梯度，具有普適、高效、高翻轉比例且兼容磁控濺射和CMOS大規模集成的明顯優勢，為全面突破垂直自旋器件的全電寫入難題提供了新的解決方案。

該工作以“Efficient generation of out-of-plane polarized spin current in polycrystalline heavy metal devices with broken electric symmetries”為題發表在 Advanced Materials（doi:10.1002/adma.202406552），朱禮軍研究員為通訊作者，半導體所劉前標助理研究員和博士生林鑫為共同第一作者，中國科學院物理研究所于國強研究員參與了本工作并提供了部分實驗樣品。

相關工作得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金委面上項目、北京市重點專題研究項目和中國科學院B類戰略先導專項等資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0116765；https://doi.org/10.1002/adma.202406552

圖1. 垂直各向異性Ta/FeCoB器件的全電翻轉。（a）傳統對稱構型中無法實現電流翻轉；（b）“C”構型和（c）“L”構型實現垂直極化自旋流驅動的高比例高能效全電翻轉。