近日，北京航空航天大学集成电路科学与工程学院赵巍胜教授、张悦教授团队在亚铁磁自旋电子器件领域取得突破性进展。基于亚铁磁材料独特的双亚晶格磁性结构，团队提出了电压驱动氢离子非对称迁移的调控方案，动态构建了一种非常规的“无畴壁”磁性结构，并利用该结构实现了无外磁场下垂直磁矩的全电学翻转，为亚铁磁自旋电子器件高效稳定的信息写入开辟了新路径。相关研究成果以“Field-Free Electrical Switching of Perpendicular Magnetization via Domain-Wall-Free Textures in Ferrimagnets”为题，发表于国际物理学顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
自旋电子器件利用磁性记录层的不同磁态实现信息存储，兼具非易失、高速度和低功耗等优势，是“后摩尔”时代高性能存储与计算架构中的重要技术之一。新型磁性结构（Magnetic Texture）的发现及高效调控，是实现新型自旋电子器件信息读写功能的重要物理基础。二十一世纪以来，研究人员已相继探索出斯格明子（Skyrmion）、霍普夫子（Hopfion）等一系列特殊磁性结构，并持续推动其在自旋电子器件中的应用研究。然而，受限于传统铁磁材料相对单一的磁结构及较强的磁偶极场作用，其体系内进一步发现与调控新型磁性结构面临较大挑战。
图1 非对称氢离子迁移构建“无畴壁”磁性结构
针对这一关键问题，团队围绕另一类磁性材料——亚铁磁合金材料展开研究。亚铁磁合金CoTb具有双亚晶格反铁磁耦合、杂散场低、磁结构丰富等特点。研究结果表明，利用固态氢离子栅控结构，通过电压驱动氢离子在亚铁磁薄膜中的非对称迁移，能够构建出一种非常规的新型磁型结构。具体而言，该磁性结构表现为相邻区域净磁化方向相反，但亚晶格磁矩方向相同，即具有“宏观上表现出不同磁畴，但微观上磁畴转化区域并不存在畴壁”的特点（见图1），突破了传统磁畴与畴壁相伴产生的常规认知。并且，通过电压控制氢离子迁移方向，能够动态、可逆地调控该新型磁性结构的存在与湮灭。
图2 特殊磁性结构诱导的垂直磁矩全电学翻转
此外，研究发现在引入该“无畴壁”磁结构后，器件在无外磁场条件下可实现自旋轨道矩驱动的垂直磁矩确定性翻转。如图2所示，研究团队采用电学输运测试和磁光克尔显微表征对该现象进行了系统验证。而在未形成该磁结构的初始器件中，这种无场下电控磁矩翻转现象并不存在。结合理论模型分析与微磁仿真（见图3），团队进一步揭示了器件中对称性破缺的物理起源：亚晶格磁矩强度在两个磁畴的交界处呈连续变化，从而在局域范围内形成磁化强度不对称性（局域对称破缺），打破了镜面对称性，最终实现全电控垂直磁矩翻转。
图3 理论模型分析与微磁仿真
该研究工作紧密结合了磁结构调控与亚铁磁材料的双亚晶格特性，拓展了对亚铁磁材料中复杂自旋结构及其功能性的认识。应用层面，利用电压驱动离子迁移调控磁态的方法，兼具非易失性与可编程性，克服了传统电控垂直磁矩翻转对外磁场的依赖，为实现更低功耗、更高集成度、更强扩展性的自旋存储与逻辑器件提供了新的解决思路。
北航集成电路科学与工程学院2025届博士毕业生冯学强、张志仲副教授、2024级博士生谢雨泽、郑臻益副教授为本文共同第一作者，北航集成电路学院张悦教授、张志仲副教授和郑臻益副教授为论文共同通讯作者，北京航空航天大学为第一单位。此外，赵巍胜教授对相关项目开展提供了密切指导与支持。该工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支撑。
