利用自旋轨道矩效应有望实现自旋存储和逻辑芯片的超高速超低功耗操控。因此，开发高自旋轨道矩效率的材料体系成为自旋电子学前沿热点。然而，人们通常所研究的自旋霍尔金属/磁铁双层膜的自旋轨道矩效率较低(例如，纯Pt/铁磁体异质结构仅为2%);简单重复堆叠自旋霍尔金属/磁铁双层膜形成的反演对称超晶格中自旋轨道矩相互抵消(如 [Pt/Co]n等)。
中国科学院半导体研究所的朱礼军研究员团队提出了“反演对称破缺的自旋轨道矩超晶格“的概念(图1a)，并预言此类超晶格的自旋轨道矩效率应随超晶格周期数n线性增长直至无穷大。然而，实验发现[Pt/Co/MgO]n超晶格中存在自旋霍尔角、磁化强度、电阻率、平整度随重复周期数增大而衰退的现象，最高实现了56%的自旋轨道矩效率 [Physical Review Applied 18, 064052 (2022)]。
最近，朱礼军团队采用更具鲁棒性的高自旋霍尔角材料Pt0.75Cu0.25作为自旋流源层(spin-current generator)、3d金属Co作为磁性层(magnetic layer)、高粘附性Ta作为空间反演对称性打破层(symmetry-breaking layer)，成功制备出重复单元自旋霍尔角、磁性、电阻率、平整度等几乎全同的反演对称破缺自旋轨道矩超晶格 [Pt0.75Cu0.25 (2nm)/Co (1nm)/Ta(1.5nm)]n，首次实现了自旋轨道矩效率随超晶格重复周期数的线性积累，并在n=16时达到>200%(图1b)，相比纯Pt/铁磁体异质结的2%提高了两个数量级。此外，该工作还揭示了超晶格样品中存在很强的、不可忽略的反常能斯特效应。
如图2所示，这种超高自旋轨道矩效率和很强反常能斯特效应的反演对称破缺超晶格[Pt0.75Cu0.25/Co/Ta]n在自旋电子存储计算芯片、热电电池和传感方面具有重要的应用潜力。
相关成果以“Giant, Linearly Increasing Spin−Orbit Torque Efficiency in Symmetry-Broken Spin−Orbit Torque Superlattices“为题发表在国际知名期刊Nano Letters上。半导体所朱礼军研究员为通讯作者，博士生林鑫为第一作者，陕西师范大学朱陆军副教授以合作者身份完成了超晶格样品的STEM表征。该工作得到了科技部、基金委和中国科学院的经费支持。
图1. (a)空间反演对称破缺的超晶格 [自旋流产生层/磁性层/对称性破缺层]n。(b)自旋轨道矩效率随超晶格重复周期的线性增大。
图2. (a) [Pt0.75Cu0.25/Co/Ta]n超晶格和其他体系自旋轨道矩效率和电阻率的比较。对称破缺超晶格在(b) 磁随机存储器MRAM、(c) 赛道存储器件、(d) 热电电池/传感方面的应用。
原标题：半导体所设计出超高自旋轨道矩效率的反演对称破缺超晶格
