近日，我院安红雨教授团队在轨道力矩驱动低功耗磁化翻转研究方面取得新进展。相关成果以“Orbital-to-spin conversion for efficient current-induced magnetization switching in nonmagnet/CoPt bilayers”为题发表在物理学领域重要学术期刊《Physical Review B》上。我院2025届硕士毕业生陈泽瀚为第一作者、杨卉副研究员为共同第一作者，王倩文助理教授、安红雨教授为论文通讯作者。

自旋轨道矩（SOT）是实现新型磁随机存储器（MRAM）的重要技术路径。近年来，轨道霍尔效应的发现为利用Ti等弱自旋轨道耦合轻金属高效地产生轨道角动量流提供了新的可能。然而，这种轨道流无法直接对磁性材料施加有效力矩，需要在具有较强自旋轨道耦合的材料中转换为自旋流，进而产生SOT并驱动磁化翻转。以往研究通常采用Ni等具有较高轨道-自旋转换效率的材料作为转换层，但Ni易氧化，且难以获得垂直磁各向异性，限制了其在垂直磁化器件中的进一步应用。因此，寻找兼具高效轨道-自旋转换能力和垂直磁各向异性的磁性材料，是推动轨道力矩器件发展的关键问题。

图1. 非磁金属/CoPt异质结构中的自旋流与轨道流输运机制，以及不同材料体系的自旋轨道矩产生效率对比。

针对上述问题，研究团队选取兼具强自旋轨道耦合和垂直磁各向异性的CoPt作为轨道-自旋转换层，并分别构筑CoPt、Pt/CoPt、Ta/CoPt和Ti/CoPt器件，系统比较不同非磁性材料中的自旋轨道矩产生及其驱动磁化翻转的能力。研究发现，具有显著轨道霍尔效应而自旋霍尔效应较弱的Ti与CoPt结合后，可显著增强SOT并降低磁化翻转所需电流。在500 Oe辅助磁场下，Ti/CoPt器件的临界翻转电流密度降至4.9×10¹⁰ A/m²，明显低于CoPt、Pt/CoPt和Ta/CoPt器件；与此同时，其SOT产生效率达到4.77×10^-10 Oe A^-1 m²，约为CoPt单层的5倍。上述结果表明，Ti中产生的轨道流能够在CoPt中实现高效的轨道-自旋转换，并产生较强的SOT驱动磁化翻转。

图2. CoPt、Pt/CoPt、Ta/CoPt和Ti/CoPt器件的电流驱动磁化翻转曲线及对应的磁化翻转相图。

该研究为利用低成本轻金属产生轨道流并实现高效磁化调控提供了新的材料体系和设计思路，为低功耗SOT-MRAM及新型轨道电子学器件的发展提供了实验基础。

本研究得到了国家自然科学基金（No. 52571262）、广东省基础与应用基础研究基金（No. 2025A1515012499）、广东省教育厅重点项目（No. 2023ZDZX3029）、广东省科协青年科技人才培育计划（Nos. SKXRC2026038、SKXRC2025062）、广东省教育厅普通高校特色创新项目（No. 2024KTSCX056）以及深圳市基础研究自然科学基金青年项目C类（No. QNXMC20250701091405008）等项目的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/y5h8-7nbn