我院自旋电子学团队通过控制长程层间交换耦合和邻近的亚铁磁耦合，将铁磁、亚铁磁和反铁磁自旋构型的优点集成到了一个人工合成反铁磁异质结中，实现了对自旋构型的高效操控，这种独特的人工合成反铁磁异质结构有望用于超高密度磁存储器、自旋逻辑器件以及神经形态计算硬件。相关研究成果以“Engineering Spin Configurations of Synthetic Antiferromagnet by Controlling Long-range Oscillatory Interlayer Coupling and Neighboring Ferrimagnetic Coupling”为题发表在《Advanced Materials》期刊上。论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202208275
对于磁性材料特定自旋构型的可控操纵是构建自旋电子学器件的关键。以前的研究工作将人工合成反铁磁（SAF）和亚铁磁（FIM）作为两个独立的材料体系分别进行了研究，然而，由于这两种材料体系自身固有的局限性，一些不可避免的挑战仍然有待克服。例如，在传统的磁化补偿人工合成反铁磁中，上下铁磁层的反常霍尔效应通常相互抵消，导致输出信号非常小，不利于磁化状态的电读取；而对于磁化补偿点附近的亚铁磁材料，急剧增大的矫顽力导致需要施加很大的临界翻转电流或面内辅助磁场，增加了器件功耗。因此，迫切需要探索将多种操纵方法结合起来以实现对自旋自由度的高效操控。
我院自旋电子学团队提出通过控制长程层间交换耦合和邻近的亚铁磁耦合，将铁磁、亚铁磁和反铁磁自旋构型的优点集成在 Pt/[Co/Pt/Co]/Ru/CoTb 人工合成反铁磁异质结中，取得了如下成果：（i）成功获得由Co/Pt/Co铁磁层和CoTb亚铁磁层组成的四种自旋构型,并证明层间交换耦合取决于Co3d-Ru5s-Co3d之间的RKKY相互作用；（ii）在具有宏观层间反铁磁耦合的Co/Pt/Co/Ru/Co65Tb35 异质结中，同时实现了室温下磁化的补偿和剩磁态反常霍尔电阻的增强；（iii）4种自旋构型均在10K到300K的温度区间内具有稳定的自旋轨道矩可控的磁化翻转。这种独特的人工合成反铁磁异质结构有望用于超高密度磁存储器、自旋逻辑器件以及神经形态计算硬件。
2020级博士生谢雪杰为文章第一作者，田玉峰教授和颜世申教授为共同通讯作者。文章的合作者还有王秀娟、王威、赵晓楠、柏利慧教授和陈延学教授。山东大学为唯一完成单位。该研究工作得到了国家自然科学基金、“111计划”项目和山东省重大基础研究项目的资助。
图1.人工合成反铁磁异质结中4种典型自旋构型以及自旋轨道矩控制的磁化翻转
