自旋电子器件被认为是后摩尔时代存储和逻辑器件最有前景的解决方案之一。自旋电子学的核心是磁性比特的电流翻转。然而，经过二十年的科学探索，人们仍然无法定量甚至定性地理解面内电流翻转垂直磁矩的物理现象。例如，自旋器件的翻转电流大小及其对称性无法通过磁单畴旋转或磁畴壁解钉扎等现有理论模型解释，面内磁场通常导致无法理解的垂直磁矩翻转等。为此，中国科学院半导体研究所朱礼军研究员团队在Advanced Materials和Applied Physics Reviews发表综述文章，评述了自旋电子器件翻转领域的研究现状、发展趋势和关键科学问题（Adv. Mater. 2023, 35: 2300853；Appl. Phys. Rev. 2021, 8: 031308）。

为了解密面内电流翻转垂直磁矩的深层次物理机制，朱礼军团队围绕直接参与磁矩翻转的自旋轨道矩效应（Spin-orbit torque）和手性交换相互作用DMI效应（Dzyaloshinskii-Moriya interaction）开展了持续科研攻关。首先，通过重金属合金方法巧妙调控界面电子结构，最早观测到了重金属/铁磁体系的界面DMI由界面自旋轨道耦合强度和界面轨道杂化共同决定的直接实验证据（Communications Physics 2022, 5: 151），并演示了轨道杂化不变时界面DMI效应随界面自旋轨道耦合强度的线性依赖关系（Advanced Functional Materials 2019, 29:1805822）。随后，朱礼军团队在组分均匀的磁性单层膜内部发现了全新的bulk DMI效应，为人们理解磁性体系的手性相互作用、拓扑磁学和电流翻转等物理现象提供了新的思路（Science China-Physics, Mechanics & Astronomy 2024, 67: 227511）。

最近，朱礼军团队通过大量电流翻转实验研究，提出了长程Intralayer DMI效应（Long-range intralayer Dzyaloshinskii-Moriya interaction）的物理概念，从而解释了垂直磁矩的自旋轨道矩翻转和磁场翻转的对称性破缺、面内磁场直接翻转垂直磁矩等长期悬而未决的自旋物理问题（图1）。该工作表明，在磁性异质结（如重金属/铁磁双层膜）中存在垂直磁矩会受到面内磁畴（如磁畴壁或弱各向异性区域）的手性交换相互作用，其相互作用距离可达几个纳米；这种长程手性交换相互作用会导致垂直磁矩经历一个垂直有效磁场，进而产生在无垂直外加磁场情况的陡直翻转和自旋轨道矩翻转电流的对称性破缺。这种垂直DMI有效磁场随面内磁场和界面DMI常数变化。利用新发现的长程DMI效应在单个自旋轨道矩器件中实现了可编程的、完整的布尔逻辑运算（AND、NOT、OR 、NAND和NOR）（图2）。该工作解开了自旋电子器件翻转领域的诸多重要谜团，有望催生新型存储器和逻辑器件的设计研制。该工作以“Asymmetric magnetization switching and programmable complete Boolean logic enabled by long-range intralayer Dzyaloshinskii-Moriya interaction”为题发表在Nature Communications 2024, 15：2978 （论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47375-5）。半导体所朱礼军研究员为通讯作者，博士后刘前标为第一作者，微电子所邢国忠研究员作为合作者参与了样品磁畴的磁光显微成像分析。

相关工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和北京市的经费支持。

图1. （a）长程手性交换相互作用及其导致的（b）有效垂直DMI磁场、（c）翻转相图对称性破缺（W/FeCoB样品）和（d）电流翻转和垂直磁场翻转的对称性破缺（W/FeCoB样品）。

图2. 单个SOT器件中完整布尔逻辑运算集的实现。（a）器件示意图；（b）电流翻转的对称性破缺；（c,d）完整的布尔逻辑运算集。