PRL: 全电压控制磁矩写入新方法：双半子扭矩翻转面内磁

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浙江大学量子物态与器件研究中心、浙江大学物理学院杨洪新教授、常凯院士与兰州大学于东星研究员、贾成龙教授，以及南京大学和中国科学院宁波材料技术与工程研究所科研人员合作在物理学顶级期刊Physical Review Letters上发表了题为“Voltage-Controlled Bimeron Torques Switching of In-plane Magnetization”的研究论文。该工作提出了一种全新的磁矩写入方法，即双半子（Bimeron：一种拓扑磁结构）扭矩翻转面内磁化方向。于东星博士和尕永龙博士为论文共同第一作者，浙江大学物理学院杨洪新教授、常凯院士以及兰州大学物理学院贾成龙教授为该论文的通讯作者，浙江大学为该论文第一署名单位。

浙江大学量子物态与器件研究中心、浙江大学物理学院研究人员在前期工作基础:

1. 建立实空间和倒空间自旋螺旋态计算反对称交换耦合的第一性原理计算方法。（反对称交换耦合，其本源来自自旋轨道耦合，即相对论效应，又称为Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI），是和对称性交换耦合即海森堡交换耦合相对应的一种磁相互作用）[Phys. Rev. Lett. 115, 267210 (2015)，引用754次；Nat. Rev. Phys. 5, 43 (2023)，ESI热点论文]；

2. 提出DMI力矩翻转垂直磁矩的磁写入新方法。[Phys. Rev. Lett.130, 056701 (2023)]

近日，又创新性的提出一种新的磁写入方式：电压控制双半子（Bimeron）力矩驱动面内磁矩翻转。[Phys. Rev. Lett. 133, 206701(2024)] Bimeron是和磁斯格明子相对应的一种拓扑磁结构，但和skyrmion不同，bimeron具有继续且具有净磁矩（如图1所示）。

图1. 双半子（Bimeron）扭矩磁随机存储器(bimeron-torques MRAM)工作原理示意图。

该团队提出利用电压控制DMI的手性变换可以实现bimeron的极性转换，而bimeron在其极性转换过程中能够将自旋角动量传递给周围磁矩，进而改变磁体的磁化方向(见图1和图2所示)，经过不断积累，就可以实现面内磁化方向的确定性可控翻转操作，即实现磁矩的写入功能(见图2)。

图2. (a)用于产生bimeron力矩的交变脉冲电压；(b)Bimeron力矩驱动的平均面内磁化 <m_x>的正向切换(0-2.7 ns)和反向切换(2.7-5.4 ns)；(c)对应于(b)中面内磁化切换的bimeron动力学。长实箭头表示铁磁背景方向。

该双半子扭矩翻转面内磁矩的新方法首次利用了双半子的净磁矩作为自旋角动量载体，通过电压控制其极化实现了在纳米级拓扑磁结构上净磁矩的转移，做到了不需要移动电子参与即可转移自旋角动量，从机理上避免了电子运动和碰撞引发的焦耳热问题，为低功耗磁随机存储器（MRAM）的写入操作提供了一种全新的高效可选方案。该项研究得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金，浙江省尖兵计划项目等的资助。