近日，蘭州大學物理學院于東星研究員、賈成龍教授與浙江大學物理學院楊洪新教授、常凱院士，以及南京大學和中國科學院寧波材料技術與工程研究所科研人員合作在物理學頂級期刊《Physical Review Letters》上發表了題為“Voltage-Controlled Bimeron-Torques Switching of In-Plane Magnetization”的研究論文[Phys. Rev. Lett. 133, 206701 (2024)]。該工作提出了通過利用雙半子(Bimeron：一種拓撲磁結構)力矩轉移自旋角動量，實現電壓控制面內磁矩翻轉的全新磁寫入。

圖1. Bimeron力矩磁隨機存儲器(bimeron-torques MRAM)示意圖。

磁矩的寫入，即磁矩的翻轉操作，是自旋電子學的最核心研究內容之一。當前主流的磁寫入機制主要是電流驅動的自旋轉移力矩(spin-transfer torque，STT)和自旋軌道力矩(spin-orbit torque，SOT)，因預言STT并催生了電流控制納米磁結構領域(For predicting spin-transfer torque and opening the field of current-induced control over magnetic nanostructures.)，John Slonczewski 和Luc Berger獲得了2013年APS Buckley獎。然而，隨著信息存儲對高比特存儲密度、高速讀寫以及低功耗的要求，發展更小尺寸的磁介質以及更低功耗的磁寫入方式成為了自旋電子學的核心競爭領域。

針對這一關鍵科學問題，該團隊與合作者提出了反對稱交換力矩翻轉垂直磁的全電壓控制機理，為磁隨機存儲器(MRAM)的寫入功能操作提供了新機制[Phys. Rev. Lett. 130, 056701 (2023)，ESI高被引論文]。同時，利用Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用勢壘及電控磁斯格明子的手性轉換特性，理論上實現了單納米賽道基本布爾邏輯門的構建和重構 [Natl. Sci. Rev. 9, nwac021 (2022)]。

近日，該團隊與合作者又創新性地提出一種新的磁寫入方式：電壓控制雙半子(Bimeron)力矩驅動面內磁矩翻轉[Phys. Rev. Lett. 133, 206701 (2024)]。Bimeron是和磁斯格明子相對應的一種拓撲磁結構，該工作提出利用電壓控制的DM相互作用可以實現對其手性控制，而Bimeron在其手性轉換過程中能夠將自旋角動量傳遞給周圍磁矩，進而改變磁體的磁化方向(見圖1)，實現面內磁化方向的180度可控翻轉操作(見圖2)。

圖2. (a)用于產生Bimeron力矩的交變脈沖電壓；(b) Bimeron力矩驅動的平均面內磁化的正向切換(0-2.7 ns)和反向切換(2.7-5.4 ns)；(c)對應于(b)中面內磁化切換的Bimeron動力學。長實箭頭表示鐵磁背景方向。

該Bimeron力矩驅動面內磁翻轉方法擴展了自旋角動量載體的范圍，巧妙地利用納米級拓撲磁結構的凈磁矩實現了不需要移動電子參與即可轉移并傳遞自旋角動量，從機理上避免了電子運動和碰撞引發的焦耳熱問題，為低功耗磁隨機存儲器(MRAM)的寫入操作提供了一種全新高效可選的方案。

該項研究得到了國家重點研發計劃，國家自然科學基金和“111”引智計劃等項目的資助。