自旋电子学技术通过调控与操纵电子的自旋和磁矩，实现逻辑运算、数据存储、磁性传感等功能，是新一代计算芯片、高速存储芯片以及精密磁传感器的核心技术。基于自旋轨道矩 (spin-orbit torque, SOT)的最新一代磁随机存储技术由于其超快读写速度、超低能耗、超高安全性等优点而备受关注，有望取代传统的固态存储技术（静态随机存储、动态随机存储和闪存）。其中重金属/铁磁体异质结是SOT磁随机存储芯片的核心结构。

长期以来，自旋电子学领域内一直认为自旋极化方向相反（即自旋霍尔角符号相反）的两种重金属层（如Ta和Pt）相结合，方向相反的自旋会相互抵消，从而导致SOT产生效率很大程度降低。近日，3118云顶集团安红雨副教授科研团队研究首次发现，在Ta/Pt/磁性绝缘体异质结器件中，SOT产生效率不仅没有降低，反而提高了一个数量级以上。研究发现，在Ta/Pt/TmIG异质结中，通过最优化Ta和Pt层厚度，Ta层中轨道霍尔效应所产生的轨道流在Pt层中会有效转换为自旋流，从而将SOT产生效率提高了一个数量级以上，这也是迄今为止基于磁性绝缘体的自旋电子器件中所报道的最大值。

(a) Ta/Pt/TmIG异质结中自旋流和轨道流的产生和输运示意图。

(b) 测试装置示意图。

(c) SOT产生效率随Ta层厚度变化图。

得益于该巨大的SOT产生效率，该工作成功实现了利用超低电流密度有效控制器件磁化翻转，磁化翻转临界电流密度是基于磁性绝缘体自旋电子器件中迄今为止报道的最小值，有效降低了自旋电子器件的工作能耗。

电流控制磁化翻转曲线图：Ta/Pt/TmIG异质结的磁化翻转临界电流密度比Pt/TmIG异质结小一个数量级。

该研究工作为提高重金属/铁磁体异质结器件中的SOT产生效率提供了一种全新的方法，为超高效率和超低能耗磁随机存储芯片的制备提供了科学理论指导，在新兴的轨道电子学基础研究领域和磁随机存储应用技术方面具有重要意义。

论文信息：该成果以Giant Orbital-to-Spin Conversion for Efficient Current-Induced Magnetization Switching of Ferrimagnetic Insulator为题发表在国际纳米材料领域顶级期刊Nano Letters上。我校2021级材料与化工专业硕士研究生李天绘为论文第一作者，3118云顶集团安红雨和日本庆应义塾大学Kazuya Ando为论文共同通讯作者，我校为第一通讯单位。

论文地址：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c02104