近日，北京航空航天大学自旋芯片团队赵巍胜教授、朱大鹏副教授与诺贝尔物理学奖得主Albert Fert教授等合作，在薄膜异质结自旋轨道矩研究方面取得进展。该项工作中，研究团队通过在重金属/铁磁异质结构中引入氧化镍这一反铁磁绝缘体插层，在低温下实现了自旋轨道矩符号的调控，并进一步提出了基于反铁磁/铁磁界面交换耦合以及反铁磁体内交换耦合来传递自旋轨道矩的新机制。相关研究结果于5月25日以[铂/氧化镍/钴铁硼结构中自旋轨道矩符号改变（Sign change of spin-orbit torque in Pt/NiO/CoFeB structures）]为题发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，并被选为编辑推荐文章（Editors’ Suggestion，约1/6的文章会入选）。

北航自旋芯片团队长期关注自旋轨道矩（SOT）调控以及基于反铁磁材料的自旋电子器件研究。反铁磁绝缘体被证明可以高效率和长距离地传输自旋流，这为传递重金属和铁磁体之间的SOT提供了新的途径。以往的研究大多集中在反铁磁绝缘体内部磁矩的自旋动力学特性上，例如磁振子和渐逝自旋波被认为对传输自旋流具有重要作用。但最近研究发现，重金属/反铁磁界面对自旋流传输过程也有重要影响，甚至可以在低温下引起负的自旋霍尔磁电阻。另一个界面，即反铁磁/铁磁界面，众所周知其因为具有界面交换耦合作用而存在矫顽力增强和“交换偏置”等效应，但其如何影响SOT传递过程目前尚不清楚。

研究组通过在重金属Pt和铁磁体CoFeB膜层之间插入一层反铁磁绝缘体NiO，利用面内二次谐波霍尔效应测试，观测到显著的SOT调控效应，并且在低温下实现了SOT符号的反转。进一步地，基于反铁磁-铁磁交换耦合模型及自旋霍尔磁阻实验结果，提出了一种反铁磁/铁磁界面交换耦合以及反铁磁体内交换耦合传递SOT的新机制，其中NiO与CoFeB之间的“spin-flop”界面耦合以及NiO的非共线反铁磁构型对传递SOT至关重要。此项结果揭示了一种不需要电荷移动的自旋轨道矩传递新机制，同时也拓展了非共线反铁磁自旋电子学的研究范围，对探索高性能自旋电子器件具有重要意义。

该工作中二次谐波霍尔效应测试等实验基于致真精密仪器（青岛）有限公司自主研发的多功能磁场探针台开展。

图1：（a）反铁磁/铁磁界面耦合以及反铁磁体内交换耦合传递自旋轨道矩的示意图。（b）Pt/NiO(3 nm)/CoFeB结构中类阻尼自旋轨道矩以及自旋霍尔磁电阻随温度的变化。

图2：致真精密仪器公司研制的多功能磁场探针台，可用于二次谐波、ST-FMR等多种输运实验。

北京航空航天大学集成电路科学与工程学院朱大鹏副教授为文章第一作者，赵巍胜教授为文章通讯作者。论文合作者包括萨格勒布大学AmirHamzić教授、山东大学颜世申教授、亚利桑那大学张曙丰教授，以及诺贝尔物理学奖得主AlbertFert教授等。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、国际合作111项目以及北京市大数据与脑机智能高精尖中心（BDBC）等的支持。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.217702