前言

美国电子学公司有潜力提供低功耗逻辑和存储设备，但在许多应用中，自旋电子设备目前受到运行速度的限制。飞秒激光器可用于控制磁性材料的磁化强度，如钆铁钴(GdFeCo)，其时间尺度为皮秒。然而，超快光学并不兼容集成电路和存储器的标准过程。因此，超快电控制磁化是强烈的首选。一般认为系统的相干磁化反转具有一个时间尺度，这个时间尺度限制在系统自然进动周期的一半，称为铁磁共振频率(FMR)。然而，根据支配磁化动力学的Landau-Lifshitz - Gilbert (LLG)方程，如果施加一个强有效磁场(例如利用自旋力矩)，磁化开关时间尺度可以降低到FMR半周期极限以下。此外，铁磁性材料的FMR频率通常被假定为在几兆赫数量级，从而将磁化的开关时间限制在纳秒左右。然而，大多数与工业相关的铁磁系统都是具有强垂直磁各向异性场(Ha)的薄膜，通常在1t到5t左右。该系统的半周期由，其中的旋转磁比为π/γHa。因此，具有大Ha的系统具有高FMR频率，可以达到小于20ps的半周期。

通过自旋转移转矩(STT)的电流诱导磁化开关已经被实验证明，在平面磁化样品中使用短电流脉冲下降到50 ps。这种STT器件具有使所施加电流极化的第一磁层，然后将自旋极化电流注入第二软磁层，该电流产生转矩并改变软磁层的磁化程度。这两个磁层通常被一薄绝缘隔板隔开，以允许通过隧穿磁电阻效应读出磁状态。在实践中，STT设备的开关被限制在纳秒的时间范围内，因为较短的电流脉冲需要增加会破坏隧道屏障的电流密度。另一种方法是使用自旋-轨道扭矩 (SOT)。SOT装置使用具有高自旋-轨道耦合的材料或接口来产生力矩以响应所应用的电流。由于SOT器件的几何结构，其中电流不流过势垒，因此这些器件中的电流感应磁化开关要比STT器件快。SOT器件的开关已经被证明电流脉冲短至200ps。利用皮秒级电脉冲通过SOT控制材料的磁性顺序可能与主流电子兼容。事实上，自2007年以来，已经有了可备皮秒的商用互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管。然而，由于科学仪器在带宽和振幅方面的限制，在小于200ps的时间尺度切换SOT设备是具有挑战性的。虽然光导开关已经被用来应用一个小于10-ps的电脉冲来开关GdFeCo薄膜的磁化，但GdFeCo中铁磁顺序反转的开关机制并不适用于大多数磁性材料。特别是，当施加电流脉冲时，GdFeCo的磁矩是反向的，与电流极性无关，这是由于快速焦耳加热的影响。一种根据电流的极性来操纵磁化的方法对于实际装置来说是比较可取的。

研究内容

加利福利亚大学伯克利分校的科学家，近期在《Nature ELECTRONICS》期刊的论文中说道，“在我们展示了光电导开关可以产生6 ps的电脉冲，可以注入到含有薄钴磁膜的异质结构中。通过对注入电流脉冲的极性进行相对于平面内磁场的控制，我们通过SOT证明了Co磁的完全反转。我们测量了磁化动力学并进行了宏自旋模拟，证实了开关是由SOT引起的。我们还证明了焦耳加热在这些超快时间尺度上起着重要作用。我们的平台与多种材料兼容。

实验方法

研究人员使用低温GaAs (LT-GaAs)光导开关来产生高强度的皮秒脉冲。偏置电压ΔV允许我们选择电流的幅值和极性。为了产生高电流的脉冲，研究人员用一个放大的5 khz重复率的激光系统来激发开关，该激光脉冲集中在800纳米处。使用该激光系统和我们的光开关产生了持续时间为6 ps的高强度电流脉冲。然后用特拉斯派克独立电场探测器(方法)测量了脉冲持续时间。激发后，电脉冲在Au共面波导上传播，并通过阻抗匹配锥度聚焦到磁结构中。

通过磁场和电流进行采样和开关行为。

样品制作和脉冲产生的细节。

6-ps电脉冲通过Sot开关磁化的MOKE显微图

由3.7-ps电脉冲和宏观自旋模拟引起的时间分辨MoKE响应

结论

研究人员演示了利用光电导开关产生的单个6-ps电脉冲来实现薄膜Co的sot感应磁化开关。在该的平台中，磁化的转换取决于脉冲相对于平面内场方向的极性，这与SOT所期望的对称性一致。宏观自旋模拟很好地符符合实验观察，并表明SOT大部分是类似阻尼。实验中还用亚皮秒分辨率探测了所产生的磁化力矩，证明了反转过程是节能的。未来的工作将包括通过不同的磁光效应来跟踪不同的磁化成分，从而在空间上重建随时间变化的自旋转矩动力学。

Jhuria, K., Hohlfeld, J., Pattabi, A. et al. Spin–orbit torque switching of a ferromagnet with picosecond electrical pulses. Nat Electron (2020). https://doi.org/10.1038/s41928-020-00488-3。