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近日，美國約翰霍普金斯大學和 美國國家標準與技術研究院 合作開發出一種新技術， 僅僅需要發送一個電流，而無需外加磁場 ，就能以穩定的方式，快速反轉CoFeB 的磁化強度。
背景
當今時代，電子產品在我們的生活中無處不在。 大多數電子產品都是利用了電子的電荷特性，例如：電荷的定向運動會形成電流，從而傳輸和處理信息數據。 但是，電子除了具有電荷這一特性外，還有一個非常重要但是未得到充分利用的量子力學特性： 自旋 （spin）。 有一門新興的學科專門研究如何操控電子自旋，它就是： “ 自旋電子學 （ Spintronics ）” 。
“自旋電子學”，為我們帶來了許多新型電子器件，它們可以用於邏輯運算的處理，也可用於存儲數據，未來更有望實現邏輯運算和數據存儲功能合二為一的新型器件。 之前 ，筆者介紹過許多的有關自旋電子學的創新成果，下面舉三個典型案例，讓大家有一個更直接更直觀的認識。
（圖片來源： L. Cornelissen ）
（圖片來源： TUK ）
（圖片來源：Joel Cramer ）
自旋電子學創造出的新型電子器件具有 體積小 、 速度快 、 功耗小 等優勢， 在後摩爾時代，自旋電子器件有望成為傳統半導體器件的替代品。
創新
今天，讓我們繼續有關自旋電子學的話題。 近日，美國約翰霍普金斯大學（Johns Hopkins University）和 美國國家標準與技術研究院 （ NIST ）之間的合作研究取得突破。 團隊發現，他們能以一種穩定方式，在0和1兩個狀態之間，快速反轉CoFeB 的磁化強度，僅需要讓電流通過與納米磁體CoFeB 鄰近的Pt 和W 金屬層，而無需外加磁場 。 這種“ 零場開關 ”（ ZFS ）效應讓人非常驚喜，因為之前並沒有理論預測到這一現象。
研究團隊包括NIST科學家 Daniel Gopman、 Robert
Shull 、NIST訪問研究員 Yury Kabanov 、約翰霍普金斯大學研究員 Qinli Ma、Yufan Li、教授 Chia-Ling Chien ，這項研究成果於近日發表在《物理評論快報（ Physical Review Letters ）》雜誌上。
技術
為了更好地理解這一創新技術，讓我們先來看一幅圖（這幅圖很好地詮釋了這項技術的原理）：
如圖所示： 在矽 基底 的表面上， 鉑 （ Pt ）、 鎢 （ W ）、 鈷-鐵-硼 （ CoFeB ） 磁體 形成三明治狀的分層結構，結構兩端是 金電極 （ Au ）。 灰色箭頭描繪出電流方向：從後方的 金 觸點注入到結構中，並從前方的金觸點流出。
納米厚度的磁體 CoFeB 層存儲著比特 數據 ， “1” 對應於 CoFeB 磁化強度朝上（向上的箭頭）， “0” 對應於 CoFeB 磁化強度朝下（向下的箭頭）。 電氣和光學這兩種方式都可以讀出 “0” 和 “1”，因為磁化強度改變了 照射在材料上的光線的反射光，這一現像也稱為“ 磁光克爾 效應 ”（ MOKE ）。
這個器件中的電流，可以在0和1之間，快速切換數據狀態。 先前的此類器件會需要磁場或者其他更加複雜的測量，改變材料的磁化強度。 那些早期的器件對於構建穩定、非易失性的存儲器件來說，並不是非常有用。
在這項研究中，科研人員創造出一種特殊的電流，也稱為“ 自旋流 ”。顧名思義，“自旋流”中的電子具有自旋特性。自旋流可以理解為一種簡單的電流，其中的電子自旋都指向同一方向。當電子通過材料時，它的自旋和 移動之間的相互作用（也稱為：自旋軌道轉矩，SOT）會產生出自旋流，其中具有同一自旋狀態的電子向垂直於電流的同一方向移動，而自旋狀態相反的電子 則向相反方向移動。
結果， 電子自旋 移動到鄰近 CoFeB 磁層時，會向這一層施加一個 轉矩，引起它的磁化強度反轉。 如果沒有自旋流， CoFeB 磁化強度對於任何電流和溫度的起伏來說都是穩定的。 這種意想不到的ZFS效應，向理論家們提出一個新問題，也就是關於實驗觀察到的 SOT引發的開關現象 。
自旋軌道轉矩的細節上面的圖片所示：紫色箭頭表示每一層中的自旋。 藍色彎曲箭頭表示那種自旋方向被改變。 例如，在W層中 （在 x-y 平面中 ） ， 朝左自旋 的電子，變為朝著上方的 CoFeB 移動；朝右自旋的電子，變為朝著下方的 Pt 層移動。 在Pt 層中 （在 x-y 平面中 ） ，朝右自旋的電子，變為朝著上方的W層移動；朝左自旋的電子會朝著下方的Si 層移動。 這與W層自旋的電子正在移動的方向相反，這是因為Pt 層中移動的電子和W 層中移動的電子所經歷的SOT存在差異。 實際上，電子通過這兩個導體的方式不同，對於這種非同尋常的ZFS現象的發生來說，這一點很重要。
價值
這項研究將帶來 比現有設備 更小型化、更低功耗的 存儲和計算設備。 未來研究人員將繼續研究找出其他的 前瞻性材料， 這些材料能夠帶來單個垂直納米磁體的“零場開關”。 此外，他們還將在更小橫向尺寸的納米磁體中研究ZFS行為的變化，為這種開關現象發展理論基礎。
關鍵字
參考資料
【1】 https://www.nist.gov/topics/materials/zero-field-switching-zfs-effect-nanomagnetic-device
【2】 Q. Ma, Y. Li, D. B. Gopman, Y. Kabanov, R. D. Shull and C.-L. Chien.
Switching a perpendicular ferromagnetic layer by competing spin
currents. Physical Review Letters . Published online 16 March 2018. DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.117703
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