寻找能够产生高效电流诱导自旋轨道转矩（SOT）的材料组合对于下一代非易失性自旋电子器件的发展至关重要。中国科学院金属研究所刘龙副研究员和赵晓天项目研究员所在团队提出了实验证据，表明通过人工设计成分梯度的铁磁Tb-Co多层膜表现出源自梯度相关空间反演对称性破缺的体积Rashba效应，这为磁化翻转提供了大量的自旋电流。论文还讨论了由SHE（自旋霍尔效应）和体积Rashba效应产生的两种类型的自旋电流，它们根据梯度方向会相互合作或竞争，最终导致SOT效率的减弱或增强。这项研究提供了有关铁磁材料中电流诱导SOT的生成机制的宝贵见解，并为基于铁磁材料的高效自旋电子器件的发展提供了指导。

原文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.21.044013

本文要点：

1）梯度结构的Tb-Co多层膜表现出由于梯度相关空间反演对称性破缺引起的体积Rashba效应，这为磁化翻转提供了额外的自旋电流。

2）发现具有负梯度方向的样品展现出更强的SOT效应。东方晨景3100系列振动样品磁强计精准地测量了磁性薄膜样品的饱和磁化强度数值，这为谐波霍尔电压法量化SOT效率提供了重要保证。

3）利用OOMMF软件进行的微磁模拟显示，具有较高SOT效率的梯度样品在较低电流密度下即可实现磁化翻转，表明其在SOT MRAM应用中具有潜在优势。

(a)非梯度和梯度结构示意图。(b)谐波霍尔电压测量的几何示意图，面内磁场沿纵向(Hx)或横向(Hy)方向。(c)非梯度结构的饱和磁化强度Ms和矫顽力Hc与Co厚度tCo的关系。插图显示了非梯度的[Tb/Co(0.3 nm)]5和[Tb/Co(0.5 nm)]5样品的磁光克尔效应回线图，Ms随Co层厚度增加而线性增长，而Hc则先增加后减少，这反映了铁磁Tb-Co系统中成分变化对磁性能的典型影响。(d)梯度结构的Ms值。

非梯度和梯度样品的类阻尼（damping-like）SOT效率值的比较。负梯度方向（Co[0.9-0.5]和Co[1.1-0.3]）结构具有更大的SOT效率值。

(a) Co[0.3-1.1]（正梯度）和(b) Co[1.1-0.3]（负梯度）样品在J_e = 1.2 × 10¹²、3 × 10¹²和4 × 10¹² A/m²下磁化强度的归一化z分量m_z随模拟时间的变化规律。电流脉冲施加在灰色区域内，脉冲宽度为0.5 ns。(c)在J_e = 1.2 × 10¹² A/m²条件下，直径为100 nm的负梯度样品圆形磁性隧道结的模拟磁化动态演变过程。