近日，中國科學技術大學李曉光教授課題組與清華大學南策文院士及美國賓州州立大學陳龍慶教授合作，在多鐵性異質(zhì)結逆磁電耦合研究方面實現(xiàn)了電場調(diào)控的非易失180º磁翻轉，相關研究成果發(fā)表在Advanced Materials上，中國科大物理系博士生楊盛瑋為論文的第一作者。
傳統(tǒng)的磁隨機存儲需要用磁場驅動磁矩轉動，使得存儲單元的體積和能耗相對較大。隨著對器件小型化、多功能化以及低能耗的要求越來越高，需要發(fā)展同時具有兩種或兩種以上功能的新材料，研制能實現(xiàn)多種功能的新型器件。多鐵材料同時具有鐵磁和鐵電等多種鐵性有序以及獨特的磁電耦合效應，可以通過電場調(diào)控磁矩轉動，實現(xiàn)自旋狀態(tài)的控制，突破自旋電子學的瓶頸，有助于器件小型化和多功能化，為后摩爾時代電子技術的發(fā)展提供了新的方向。然而普通的單相多鐵材料的磁電耦合非常弱，且普遍僅存在于低溫范圍，無法實際應用。通過科學合理的設計，多鐵異質(zhì)結可以在室溫下通過電場操控磁矩轉動。
通常情況下電控磁一般表現(xiàn)為易失的效應，外加電場撤去后磁變化無法保持，不利于信息存儲等。即使是非易失的電控磁矩轉動，也還存在許多問題，比如操作復雜，非易失效應分布不均勻且僅存在于異質(zhì)結的極少數(shù)區(qū)域。所以，如何在大范圍內(nèi)對磁矩取向實現(xiàn)非易失的電場調(diào)控仍然存在巨大的挑戰(zhàn)。
針對該研究瓶頸，研究人員設計了一種Co/PMN-PT多鐵性異質(zhì)結結構，通過巧妙的設計電極化結構，有效排除了傳統(tǒng)電極化結構中鐵電場效應的影響，為電場控制的磁矩轉動提供了可觀的面內(nèi)應變。通過控制電極化，使得壓應變引起的磁彈各向異性與Co薄膜的界面磁各向異性競爭，即使無外加磁場，也可以在室溫下通過電場調(diào)控實現(xiàn)90º甚至180º的非易失磁矩轉動。在此基礎上，設計了電場控制的三阻態(tài)自旋閥存儲器原型，以及電場控制的單刀雙擲開關和兩輸入端的三態(tài)門等邏輯器件。該項研究成果不僅揭示了多鐵異質(zhì)結中電場控制磁矩轉動的機制，而且在較大范圍內(nèi)利用電場調(diào)控進行了180º磁翻轉的操作，為無需外加磁場的磁矩翻轉提供了新的研究思路。
此項研究工作得到了國家自然科學基金、科技部“973”計劃等項目的資助。
