2021/05/27 - Thursday
Title: 金属多层膜中自旋流的耗散理论
Speaker: 袁喆 | 北京师范大学
Time: 2021/05/27（周四）上午 10:00
Location: 江湾校区物理楼C101
Host: Yizheng Wu | 吴义政
Abstract: 自旋流的输运与耗散是自旋电子学的核心问题之一。与基尔霍夫定律描述的电流守恒不同，自旋极化的电流或纯自旋流会在所谓自旋扩散长度的空间尺度上逐步失去极化，导致自旋流的效应较难被观测到。例如直到插入两个铁磁薄膜的非磁层厚度达到自旋扩散长度的量级时，巨磁阻效应才得以被实验发现。尽管自旋流的耗散源于自旋轨道耦合，但在系统研究了5d过渡金属材料之后，我们发现在电-声子作用主导的散射机制下，自旋扩散长度与自旋轨道耦合的强度并没有直接关联，而费米面态密度起到了决定性作用。同时我们也发现自旋霍尔角与自旋扩散长度之间存在显著的关联。在金属多层膜的界面处，自旋流往往存在明显的不连续意味着界面散射导致的自旋流耗散，通常使用自旋记忆损失来表征。我们严格计算了自旋电子学研究中常见的非磁-非磁和非磁-铁磁界面，发现前者的自旋记忆损失具有类似Elliott-Yafet耗散机制的特征，而后者对有限温度下的自旋涨落较为敏感。如果在铁磁金属和非磁金属铂之间插入铜，尽管可以避免磁近邻作用，但会从总体上降低自旋流的注入效率。
Date: TBD
Title: 自旋轨道矩存储器的发展趋势及关键科学问题
Speaker: 赵巍胜 | 北京航空航天大学
Time: 2021/05/17（周一）上午 10:00
Location: 江湾校区物理楼C101
Host: Jiang Xiao | 肖江
Abstract: 基于磁学、凝聚态物理及微电子等学科交叉，自旋电子学在1988年巨磁阻效应发现后获得了快速发展，带来了大容量信息存储并推动了云计算及大数据等新型信息技术的广泛应用。Albert Fert（现北京航空航天大学费尔北京研究院首席科学家）及Peter Grunberg因而获得2007年诺贝尔物理学奖。基于自旋电子学与集成电路技术的深度交叉，自旋存储芯片（MRAM）被提出，利用电子的自旋属性进行信息存储，因具有非易失、高速、低功耗、耐擦写、抗辐射等优点而被视为新型存储器技术的有力竞争者，且已有部分产品在特定领域获得大量应用。MRAM按照其数据写入技术的发展可被划分为三代：分别基于磁场写入（Toggle）、自旋转移矩（STT）、自旋轨道矩（SOT）。本报告主要汇报SOT-MRAM的研究现状、最新成果和关键科学问题等。
首先，本报告对三代MRAM进行了回顾和对比，以此突出SOT-MRAM的性能优势和应用潜力。在性能方面，SOT-MRAM将数据写入速度提升至亚纳秒量级，将数据写入功耗降低至0.01 pJ/bit，是未来高速缓存的有力替代者。在应用方面，第一代Toggle-MRAM的技术和产品已完全被美国垄断，主要应用于航空航天；第二代STT-MRAM的技术专利已基本布局完毕，目前由三星、台积电、格罗方德等企业于2018年开始量产，我国在该领域争取突破机会难度较大；SOT-MRAM则仍处于蓬勃发展期，专利布局尚未完成，我国多家单位已在该领域取得前沿性创新成果，发展机遇广阔。
其次，本报告着重介绍SOT-MRAM的最新研究进展。为实现SOT-MRAM的产品化，至少要满足三个条件：无需外加磁场（确保器件大规模制造的可行性）、亚纳秒级写入速度（发挥SOT的超高速优势）、与CMOS工艺兼容（确保芯片集成的可行性）。目前满足条件的代表性成果大致包括三类：由北航、斯坦福大学、英特尔等提出的自旋协同矩技术；由欧洲微电子中心（IMEC）提出的在器件内部集成磁场的技术；由日本东北大学提出的倾斜式SOT技术。这三类技术均已完成了实验验证，本报告将对此进行探讨与分析。
最后，本报告凝练了当前SOT-MRAM亟待解决的关键科学问题。第一，当前SOT-MRAM的写入电流仍旧偏高，需要探索高效“电荷-自旋”转换效率的材料体系。第二，当前SOT-MRAM的器件尺寸难以微缩，需要寻求新的效应或结构。第三，当前SOT-MRAM的器件隧穿磁阻率（TMR）普遍偏低，需要优化器件工艺，改善界面和晶格质量。通过解决以上关键科学问题，SOT-MRAM将在数据的写入、存储及读取三者之间实现协同优化。
主要参考文献：
1) M. X. Wang and W. S. Zhao. et al. "Current-induced magnetization switching in atom-thick tungsten engineered perpendicular magnetic tunnel junctions with large tunnel magnetoresistance", Nat. Comm., 9 671, (2018).
2) M. X. Wang and W. S. Zhao. et al. "Field-free switching of perpendicular magnetic tunnel junction by the interplay of spin orbit and spin transfer torques", Nat. Electron., 1 582-588, (2018).
3) S. Peng and W. S. Zhao. et al."Field-free switching of perpendicular magnetic tunnel junction through voltage-gated spin orbit torque", IEDM., 661, (2019).
4) Z. H. Wang and W. S. Zhao. et al. "Proposal of Toggle Spin Torques Magnetic RAM for Ultrafast Computing", IEEE Electron Device Lett., 40(5) 726-729, (2019).
5) Z. H. Wang and W. S. Zhao. et al. "High-Density NAND-Like Spin Transfer Torque Memory with Spin Orbit Torque Erase Operation", IEEE Electron Device Lett., 39(3) 343-346, (2018).
6) W. Cai and W. S. Zhao. et al. “Sub-ns Field-Free Switching in Perpendicular Magnetic Tunnel Junctions by the interplay of Spin Transfer and Orbit Torques”, IEEE Electron Device Lett., 42(5) 704-707, (2021).
7) K. Shi and W. S. Zhao. et al. “Experimental Demonstration of NAND-Like Spin-Torque Memory Unit”, IEEE Electron Device Lett., 42(4) 513-516, (2021).
8) X. Lin and W. S. Zhao et al., "Two-dimensional spintronics for low-power electronics", Nat. Electron., 2 274-283, (2019).
9) S. Peng and W. S. Zhao et al., "Exchange bias switching in an antiferromagnet/ferromagnet bilayer driven by spin-orbit torque", Nat. Electron., 3 757-764, (2020).
2021/04/23 - Friday
Title: 反铁磁自旋电子学
Speaker: 宋成 | 清华大学 - 材料学院
Time: 2021/04/23（周五）下午 14:00
Location: 江湾校区物理楼 C101
Host: Yizheng Wu | 吴义政
Abstract: 大数据、云计算和人工智能的发展要求新型存储器在保障高速和非易失性特点的同时，不断向更高密度、更低功耗方向发展。反铁磁材料因其无杂散场、内禀频率高、抗外磁场干扰等优势，成为超快、超高密度信息存储的重要发展方向，并有望应用于防范电磁威胁的高频电子器件。鉴于反铁磁净磁矩为零、对外磁场不敏感的特性，如何实现反铁磁磁矩的操控与探测成为当前自旋电子学领域的前沿和研究热点。我们利用磁耦合、电流和电场等手段操控了反铁磁磁矩翻转，并发展了多种电学方法实现了对反铁磁磁矩的有效探测。观测到反铁磁隧穿磁电阻效应和反铁磁层间耦合效应，实现了磁场操纵下室温反铁磁器件的电学读出；采用更加便捷高效的电流方式，在有局域空间反演破缺的反铁磁、反铁磁/重金属和人工反铁磁等异质结中实现了电流驱动磁矩翻转，拓宽了电学可操控的磁性材料类型。鉴于电场调控可有效降低器件功耗，利用交换弹簧和铁弹应变来增加电场操控的反铁磁层深度，实现了反铁磁金属的电场调控；基于线性反铁磁的局域空间反演破缺观测到反铁磁自旋霍尔效应，并利用所产生的面外自旋极化实现了相邻铁磁层的零场翻转。