自旋电子学技术是后摩尔时代的核心关键技术之一，在磁存储、逻辑运算、仿生芯片、类脑计算、量子计算等领域都有着广阔的前景。自旋轨道力矩效应提供了局域信息写入机制，利用电子的自旋属性实现磁矩的高效翻转，是目前自旋电子学领域的研究热点。受限于自旋霍尔角和电阻率的正相关性，不能通过无限提高自旋霍尔角来实现临界电流的降低。如何平衡电阻率和自旋霍尔角是低功耗自旋电子学器件走向商业化的一个核心科学问题。
亚纳米β‑W插层结构示意图及其对自旋轨道力矩器件的影响
近日，西安交通大学电信学部电子科学与工程学院刘明教授团队构建了具有亚纳米插层的铁磁/重金属异质结，在保持低电阻率的前提下成功实现了自旋轨道力矩效率的增强。亚纳米β‑W插层对界面电荷-自旋转换效率的增强是平衡电阻率和自旋霍尔角的关键所在。β-W (0.3 nm)/α-W (5.7 nm)的电阻率（45.7 μΩ cm）在保持和α-W (6 nm)相似电阻率（53.5 μΩ cm）的前提下，自旋轨道力矩效率增强了大概3倍；此外，基于亚纳米插层构建的自旋轨道力矩-磁随机存储器（SOT-MRAM）模型，理论预测其能耗降低在50%以上。该工作为开发低能耗SOT-MRAM等自旋电子器件提供了一个可行的优化方案。
该研究成果目前以《通过插入亚纳米β‑W层提高自旋轨道力矩效率》“Enhancing the Spin−Orbit Torque Efficiency by the Insertion of a Sub-nanometer β‑W Layer”为题在国际著名学术期刊《美国化学学会-纳米》（ACS Nano）(IF=18.027)上发表。团队李耀进助理教授为该论文第一作者，博士生查茜为共同一作，刘明教授为通讯作者。该研究是自旋轨道力矩器件迈向实际应用的重要成果，利用亚纳米β‑W插层对电荷-自旋效率的增强，有望实现功耗降低一半，为低功耗自旋电子学器件的开发打下坚实基础。
刘明教授课题组近年来一直致力于低功耗自旋电子学器件方向的基础研究和应用探索，前期工作已在《先进材料《先进科学》《先进功能材料》《自然通讯》和《美国化学学会-纳米》等国际期刊上发表。
该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的资助。
刘明教授主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/mingliu
论文连接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c00093
