近日，我院胡季帆教授团队在Pt/Co1-xGdx/Pt异质结中利用门电压控制氢离子、氧离子迁移实现了电场调控亚铁磁补偿温度和磁化翻转。结合实验表征与理论计算，该团队提出了氢、氧离子共调控稀土磁性耦合强度的微观机制，成功解释了观察到的两种现象。相关研究成果以“Control of Compensation Temperature in CoGd Films through Hydrogen and Oxygen Migration under Gate Voltage”为题发表在《Nano Letters》期刊上（Nano Letters 2023, 23, (13), 5927-5933）。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.3c00869
电场调控磁性具有高效率、低能耗的优势，在未来的磁性存储和逻辑器件中具有重要的应用前景。在众多电控磁方案中，电控离子迁移具有功耗低、非易失性、迁移距离长等优点，因此受到了研究者的格外关注。目前已有研究报导了磁性金属薄膜中氢离子迁移驱动的磁化翻转。氧元素是地球上最常见的元素之一，大部分离子迁移都伴随着氧离子的影响。然而，此前人们尚未认识到氧离子在电控磁性金属薄膜的磁化翻转中发挥的作用。
胡季帆教授团队采用离子液体门电压的方案在同一个Pt/CoGd/Pt亚铁磁异质结器件中实现了氢离子和氧离子的迁移，观察到了两种离子迁移均可实现合金补偿温度TM的非易失性调控，最终引导器件的磁化翻转。其中，氢离子具有较小的离子半径与较弱的化学键强度，因此其引导的调控速度较快但调控幅度也较弱；氧离子与金属元素之间具有更强的化学作用，从而具有更长的弛豫时间与更加显著的调控效果（TM调控幅度 ~200 K）。进一步的实验表征与理论计算表明：注入磁性薄膜的氢离子和氧离子可能会引起电荷转移和轨道重新占据，从而抑制Gd-Gd之间的交换耦合作用，导致有限温度下稀土磁化的减弱，最终表现为系统补偿温度的降低和净磁化的翻转。这些结果为电场调控磁化翻转提供了新的思路，可以促进未来低能耗自旋电子器件的发展。
附图：氢、氧离子受门电压驱动在Pt/CoGd/Pt异质结中迁移，实现系统净磁化的非易失、可逆翻转。
博士生任雪与青年教师刘亮为文章共同第一作者，崔彬和胡季帆教授为文章共同通讯作者，合作者还包括青年教师成彬以及国家晶体材料重点实验室的周广军教授。山东大学是唯一完成单位。该工作得到国家自然科学基金项目、国家海外高层次青年人才计划、山东大学齐鲁青年学者配套经费和山东省自然科学基金项目的资助。
