[论文解读] Roadmap of spin-orbit torques

Qiming Shao, Peng Li+17 more|PubMed|Apr 23, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 226被引用 33

一句话总结

本文综述自旋轨道扭矩（SOTs）的理论、材料与器件，概述产生机制、材料平台、器件架构，以及如 SOT-MRAM 与神经形态概念等的前沿应用。它为未来在学术界和产业界的 SOT 发展提供了全面指南。

ABSTRACT

Spin-orbit torque (SOT) is an emerging technology that enables the efficient manipulation of spintronic devices. The initial processes of interest in SOTs involved electric fields, spin-orbit coupling, conduction electron spins and magnetization. More recently interest has grown to include a variety of other processes that include phonons, magnons, or heat. Over the past decade, many materials have been explored to achieve a larger SOT efficiency. Recently, holistic design to maximize the performance of SOT devices has extended material research from a nonmagnetic layer to a magnetic layer. The rapid development of SOT has spurred a variety of SOT-based applications. In this Roadmap paper, we first review the theories of SOTs by introducing the various mechanisms thought to generate or control SOTs, such as the spin Hall effect, the Rashba-Edelstein effect, the orbital Hall effect, thermal gradients, magnons, and strain effects. Then, we discuss the materials that enable these effects, including metals, metallic alloys, topological insulators, two-dimensional materials, and complex oxides. We also discuss the important roles in SOT devices of different types of magnetic layers, such as magnetic insulators, antiferromagnets, and ferrimagnets. Afterward, we discuss device applications utilizing SOTs. We discuss and compare three-terminal and two-terminal SOT-magnetoresistive random-access memories (MRAMs); we mention various schemes to eliminate the need for an external field. We provide technological application considerations for SOT-MRAM and give perspectives on SOT-based neuromorphic devices and circuits. In addition to SOT-MRAM, we present SOT-based spintronic terahertz generators, nano-oscillators, and domain wall and skyrmion racetrack memories. This paper aims to achieve a comprehensive review of SOT theory, materials, and applications, guiding future SOT development in both the academic and industrial sectors.

研究动机与目标

• 概述生成或控制 SOT 的理论机制（例如自旋霍尔效应、Rashba-Edelstein、轨道霍尔效应）。
• 评估支持 SOT 的材料平台（金属、合金、拓扑绝缘体、二维材料、复杂氧化物）。
• 讨论磁层性质在 SOT 器件中的作用并比较架构。
• 评述基于 SOT 的应用，包括三端和两端 SOT-MRAM、无场方案，以及新兴器件（太赫兹发生器、纳米振荡器、磁畴壁/斯格明鸟赛道记忆）。
• 提供对未来学术界与产业界 SOT 研究的展望与考虑。

提出的方法

• 解释并分类主要 SOT 产生机制（自旋霍尔、Rashba-Edelstein、轨道霍尔、热效应、磁子、应变）。
• 系统性评估材料候选及其与 SOT 效应的兼容性。
• 比较器件架构（三端 vs 两端 SOT-MRAM）及实现无场操作的机制。
• 讨论 SOT-MRAM 的技术考量及潜在的神经形态实现。
• 提供路线图式的综合，以引导未来的理论、实验和应用导向工作。

实验结果

研究问题

• RQ1 驱动或控制自旋轨道扭矩的主要机制有哪些？
• RQ2 哪些材料与异质结构最能实现适用于实际器件的强 SOT？
• RQ3 磁层性质如何影响 SOT 器件的性能与可靠性？
• RQ4 哪些架构与方案能实现SOT驱动存储器的无场工作？
• RQ5 基于 SOT 的新兴技术（太赫兹发生器、纳米振荡器、赛道型存储）有哪些前景与挑战？

主要发现

• 对 SOT 机制的统一概述，包括自旋霍尔、Rashba-Edelstein、轨道霍尔，以及热/磁子/应变效应。
• 汇编了覆盖金属、合金、拓扑绝缘体、二维材料和复杂氧化物的材料平台，能够支持 SOT。
• 讨论 SOT 应用中的磁层作用与器件架构，重点在记忆与神经形态前景。
• 对 SOT-MRAM 配置（三端和两端）的评估，以及消除外部场需求的方法。
• 对 SOT 使能的技术的展望，如自旋电子太赫兹源、纳米振荡器、磁畴壁/斯格明鸟赛道记忆。