深圳技术大学安红雨团队Nano Lett.: 反铁磁绝缘体中磁子介导的轨道转矩翻转

在自旋电子学中，利用自旋轨道矩（SOT）实现磁化翻转是磁性随机存储器（MRAM）的核心写入机制。传统SOT依赖重金属（Pt、W等）中的自旋霍尔效应产生自旋流，其效率受限于材料的自旋霍尔角及自旋输运损耗。近年来，轨道电子学的兴起提供了新的思路：通过轨道霍尔效应（OHE）在轻金属中产生纯轨道流，进而利用轨道转矩调控磁化。理论研究表明，轨道霍尔电导率在Ti、Cr、Mn等轻金属中可超过典型重金属的自旋霍尔电导率，且轨道流在铁磁体中具有更长的扩散长度。然而，轨道流能否通过绝缘介质进行长距离传输，尤其是能否借助磁子这一玻色子准粒子在反铁磁绝缘体中传播，尚未得到实验证实。

该团队实验验证了磁子介导的轨道力矩及其驱动的垂直磁化翻转。研究采用Ti/NiO/CoPt异质结构：Ti作为轨道流源层（弱自旋-轨道耦合、高轨道霍尔电导率），NiO作为反铁磁绝缘体传输层，CoPt作为具有垂直磁各向异性的铁磁层(图1)。高分辨透射电镜和X射线衍射证实了NiO(111)/CoPt(111)的外延生长及清晰的异质界面（图2）。实验发现，在Ti/NiO/CoPt三层膜中，电流诱导的类阻尼有效场较不含Ti的对照样品提升约一个数量级，且转矩效率随NiO厚度非单调变化（7 nm时最优）（图3）。这些现象表明，由Ti中OHE产生的轨道流，通过激发NiO中的磁子进行传输，最终进入CoPt层并借助强自旋-轨道耦合转化为自旋流，从而产生轨道转矩。值得注意的是，NiO介导的轨道流衰减仅约10%，显著低于此前报道的自旋流在NiO中的衰减（约50%），显示出更高的界面透明度。在电流诱导磁化翻转实验中，Ti/NiO/CoPt器件的临界翻转电流密度低至约4.7×10¹⁰ A/cm²，较不含Ti的CoPt单层膜（约2.99×10¹¹ A/cm²）降低约一个数量级。开关效率η从CoPt单层的0.549提升至Ti/NiO/CoPt的2.059，表明轨道转矩可显著降低写入功耗（图4）。

该工作揭示了轨道角动量可通过磁子这一集体激发在绝缘介质中实现长距离输运，并且轨道流在铁磁/绝缘体界面处的透射效率远高于自旋流。这一发现将磁子学与轨道电子学两个前沿领域联系起来，证明磁子不仅可以携带自旋角动量，也可以携带轨道角动量。从应用角度看，磁子介导的轨道转矩为低功耗SOT-MRAM提供了新的材料选择（如轻金属Ti替代贵金属Pt/W），同时由于轨道流在铁磁体中的长程特性，可能有利于提高器件的可微缩性。

图3 器件性能对比图

图4 电流驱动磁化翻转