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实现基于自旋轨道转矩（SOT）的垂直磁矩翻转，对于快速读写、长时间数据存储、高密度SOT磁随机存储器（SOT-MRAM）的开发有重要意义。通常而言，需要施加额外的面内磁场才能实现这一翻转，而这会降低翻转过程的热稳定性，同时也可能会在相邻的存储单元中引起信号干扰。因此，人们提出了各种各样的无场翻转机制，但这些机制大多需要改变现有存储器的结构，对实际应用不利。
最近，美国威斯康辛大学麦迪逊分校胡嘉冕等人，使用微磁和原子自旋动力学模型两种不同方法证实：无场垂直磁化翻转可在标准的自旋轨道转矩磁随机存储器结构中实现。他们发现：此种无场翻转通过几何约束， Dyzaloshinskii-Moriya界面相互作用和电流引发的自旋轨道转矩协同实现，并遵循经典的成核及生长动力学规律，呈典型的二维生长。原子自旋动力学模型清楚地揭示了早期的形核过程。此外，他们使用约1000组微磁模拟数据训练了一个机器学习模型。此模型可快速准确地预测实现成功的无场翻转所需要的磁性纳米结构尺寸，界面Dyzaloshinskii-Moriya相互作用强度和引发自旋轨道转矩的电流值。微磁模拟和原子自旋模型模拟提供了对于这一无场翻转现象的准确解释，而机器学习模拟与训练数据在将来可以演变成一个快速高效的工具用于设计原型器件。该文近期发表于npj Computational Materials 6: 78 (2020)，英文标题与摘要如下，点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。
Field-Free spin-orbit torque perpendicular magnetization switching in ultrathin nanostructures
Minyi Dai& Jia-Mian Hu
Magnetic-field-free current-controlled switching of perpendicularmagnetization via spin–orbit torque (SOT) is necessary for developing a fast, longdata retention, and high-density SOT magnetoresistive random access memory(MRAM). Here, we use both micromagnetic simulations and atomistic spindynamics (ASD) simulations to demonstrate an approach to field-free SOTperpendicular magnetization switching without requiring any changes in thearchitecture of a standard SOT-MRAM cell. We show that this field-free switchingis enabled by a synergistic effect of lateral geometrical confinement, interfacialDyzaloshinskii–Moriya interaction (DMI), and current-induced SOT. Bothmicromagnetic and atomistic understanding of the nucleation and growth kineticsof the reversed domain are established. Notably, atomically resolved spin dynamicsat the early stage of nucleation is revealed using ASD simulations. A machinelearning model is trained based on ~1000 groups of benchmarked micromagneticsimulation data. This machine learning model can be used to rapidly and accuratelyidentify the nanomagnet size, interfacial DMI strength, and the magnitude ofcurrent density required for the field-free switching.
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