文章亮點
首次提出並實現了軌道轉移矩（orbit-transfer torque, OTT）效應，是繼自旋轉移矩（spin-transfer torque, STT）、自旋軌道矩（spin-orbit torque, SOT）之後一種實現無需外磁場輔助且高效的垂直磁化翻轉的全新策略。
軌道轉移矩的物理影象及輸運測量結果。左上：在鐵磁/非磁異質結中，電流驅動的軌道磁矩極化（綠色箭頭）產生軌道轉移矩TOTT。軌道轉移矩作用於鐵磁層的磁矩M，實現無需外磁場的垂直磁化翻轉。右上：在具有非零貝利曲率偶極矩D的二維體系中，存在電流誘導的軌道磁矩極化。左下：WTe2/Fe3GeTe2異質結中二階非線性霍爾效應的角度依賴測量。中下：在WTe2/Fe3GeTe2異質結施加沿著WTe2的a軸的脈衝電流，透過軌道轉移矩實現了確定性的垂直磁化翻轉。右下：在異質結中施加沿著WTe2的b軸的脈衝電流，由於該方向沒有非零的貝利曲率偶極矩，施加電流不能產生軌道轉移矩，從而無法實現確定性的磁化翻轉。
軌道轉移矩驅動的垂直磁化無外場翻轉
研究背景
磁性隨機儲存器(MRAM)是一種高速度、低功耗的非易失性儲存器件。要實現MRAM，關鍵在於實現電流驅動下鐵磁層的磁化翻轉。目前主要透過奧斯特場、自旋轉移矩和自旋軌道矩三種方式來實現磁化翻轉。利用電流誘導的奧斯特場實現磁化翻轉的器件結構複雜，能耗較高。自旋轉移矩則面臨讀寫路徑不分離，從而耐用性較差的問題。而基於拓撲表面態、Rashba效應或者自旋霍爾效應的自旋軌道矩則通常面臨著與垂直磁化翻轉不相容的問題——而後者正是MRAM器件小型化的關鍵。要利用自旋軌道矩實現垂直磁化翻轉，通常需要特殊的結構設計或者外磁場的輔助。
內容簡介
最近，北京大學廖志敏課題組基於固體中布洛赫電子的軌道磁矩，提出併成功展示了利用軌道轉移矩實現無需外磁場的垂直磁化翻轉。不同於自旋，二維材料中電子的軌道磁矩由於維度的限制而自然地沿著面外方向。他們構築了WTe2/Fe3GeTe2異質結，薄層WTe2作為非磁層、少層Fe3GeTe2作為具有垂直磁化的鐵磁層；利用WTe2中沿著a軸方向的貝利曲率偶極矩，施加電流誘導實現了軌道磁矩極化，軌道轉移矩作用於Fe3GeTe2鐵磁層，實現了無外磁場下的垂直磁化翻轉。
研究意義和重要性
該工作提出的軌道轉移矩，作為一種無需外磁場輔助、實現垂直磁化翻轉的新策略，將為低功耗、高可靠性、高耐受性MRAM的高密度整合與大規模應用提供一種可行途徑。
