我院自旋电子学团队在倾斜溅射的具有成分梯度的垂直磁各向异性CoPt铁磁单层膜中，不需要外磁场辅助，也不需要额外的重金属层，实现了由电流产生自旋轨道矩诱导的磁化翻转；团队进一步将多维中心反演对称性破缺引入CoPt/Ru/CoPt强反铁磁耦合的人工多层膜中，实现了无外磁场辅助的电流控制的磁化翻转；相关研究成果分别发表在《ACS Nano》和《Physical Review B》上。

在磁存储器件中，基于铁磁钉扎层/氧化物/铁磁自由层的磁性隧道结作为存储单元获得了广泛的应用，其中通过自旋轨道矩诱导自由层磁化翻转是自旋电子学研究的前沿。尽管相关的工作已经在重金属/铁磁层多层膜以及非中心对称单层膜中取得了不少可喜的进展，但确定性的磁化翻转通常需要额外的重金属层或者外磁场辅助，增加了器件结构设计的复杂性，限制了自旋器件的集成度。我院自旋电子学团队聚焦铁磁薄膜中对称性破缺维度设计与自旋轨道力矩的关联，通过引入成分梯度和倾斜溅射，同时打破了面内和面外晶体结构的中心反演对称性，实现了CoPt单层膜中无需外磁场辅助的电流可控的磁化翻转。该方法在进一步简化存储单元设计，制备高密度、低功耗磁存储器件方面具有很大的实际应用价值。相关研究成果以“Field-free magnetization switching in ferromagnetic single-layer through multiple inversion asymmetry engineering”为题发表在《ACS Nano》期刊上。物理学院博士后黄启坤为该论文第一作者，合作者还有博士生范轶博、赵晓楠、董亚男、韩翔、谢雪杰、周铁、柏利慧教授，以及兰州大学电镜中心的关超帅博士、彭勇教授。田玉峰教授和颜世申教授为共同通讯作者。山东大学为第一作者单位和唯一通讯作者单位。

特别值得一提的是团队进一步将多维的对称性破缺引入到CoPt/Ru/CoPt人工强反铁磁耦合的多层膜中，通过对缓冲层和覆盖层的控制实现了对自旋轨道矩和层间Dzyaloshinsky-Moriya相互作用的调控，实现了无外磁场辅助下强反铁磁耦合体系中自旋轨道矩诱导的磁化翻转。考虑到反铁磁具有优异的热稳定性和零净磁化强度，该工作为制备人工反铁磁的自旋存储器件提供了新的设计思路。相关的实验和理论成果以“Critical magnetic field for lifting the degeneracy of monochiral domain walls with strong interlayer antiferromagnetic coupling”为题发表在《Physical Review B》上。物理学院2016级博士周铁为论文第一作者，文章的合作者还有博士生谢雪杰、赵晓楠、董亚男、王静、陈威斌、黄启坤、陈延学教授、柏利慧教授，以及北京航空航天大学的冷群文教授。田玉峰教授和颜世申教授为共同通讯作者。山东大学为第一作者单位和唯一通讯作者单位。

以上工作均得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金重大基础研究和“111计划”项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c03756

论文链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.105.144434