近日，我校電子信息學院磁電子器件與系統(tǒng)團隊以杭州電子科技大學為第一單位，以封面文章在頂級學術(shù)期刊Advanced Functional Materials (SCI 1區(qū)Top, 影響因子19.924)上發(fā)表研究論文 Field-Free Spin-Orbit Torque Switching in Synthetic Ferro and Antiferromagents with Exchange Field Gradient。電子信息學院博士研究生樊浩東和金蒙豪老師為共同第一作者，我校李文鈞教授和周鐵軍教授為共同通訊作者。樊浩東為李文鈞教授和周鐵軍教授共同指導的博士研究生，目前已發(fā)表多篇SCI Top期刊論文，包括ACS Applied Materials & Interfaces, Applied Physics Letters等。

該研究得到了浙江省“尖兵”研發(fā)項目、國家自然科學基金、浙江省重點研發(fā)計劃等項目的支持。本工作得到張雪峰教授和張鑒教授（杭州電子科技大學）在材料制備方面的支持、熊龍在理論計算與模擬方面的指導。

人工反鐵磁結(jié)合了鐵磁和反鐵磁二者的優(yōu)點，其作為磁隧道結(jié)中的自由層可以大大增強熱穩(wěn)定性，降低開關(guān)電流密度，最小化雜散場，并提高開關(guān)速度，在非易失信息存儲和存算一體化領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景。利用自旋軌道轉(zhuǎn)矩(SOT)調(diào)控垂直磁化人工反鐵磁的磁矩通常需要面內(nèi)輔助磁場，這限制了它的實際應(yīng)用。

文章根據(jù)鐵磁層間的耦合場強烈依賴于隔離層Ru的厚度，提出在兩個薄鐵磁層之間插入輕微楔形Ru（如圖1所示），將交換場梯度引入垂直磁化的人工鐵磁和反鐵磁體中，這使系統(tǒng)產(chǎn)生一個額外的作用力，導致了對稱性破缺，實現(xiàn)了垂直磁化的人工鐵磁和反鐵磁的無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)。

圖1. 電流驅(qū)動的自旋動力學模型和磁性表征

實驗結(jié)果表明（如圖2所示），無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)和SOT有效場的大小依賴于交換場梯度（Ru的厚度）的大小。其穩(wěn)定性和可靠性也在連續(xù)翻轉(zhuǎn)測試中得到證實。

圖2. 人工反鐵磁/鐵磁交換場梯度誘導的無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)表征

理論模型和數(shù)值模擬表明（如圖3所示），交換場梯度誘導的動態(tài)非共線自旋織構(gòu)導致了無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)，而交換場梯度的正負決定了無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)的極性。此外，SOT效率的大小與反鐵磁交換耦合場的大小正相關(guān)，也就是可同時實現(xiàn)可靠的無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)以及高的SOT效率。這些結(jié)果為實現(xiàn)垂直磁化人工反鐵磁的無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)以及SOT效率的提高提供了新的途徑，為實現(xiàn)高穩(wěn)定、高密度、低雜散場和低功率的自旋存儲器件鋪平了道路。

圖3. 人工反鐵磁中無磁場磁矩翻轉(zhuǎn)的微磁學模擬