自旋電子器件被認為是后摩爾時代存儲和邏輯器件最有前景的解決方案之一。自旋電子學的核心是磁性比特的電流翻轉。然而，科學家無法定量甚至定性地剖析面內電流翻轉垂直磁矩的物理現象。

為了探討面內電流翻轉垂直磁矩的深層次物理機制，中國科學院半導體研究所朱禮軍團隊圍繞直接參與磁矩翻轉的自旋軌道矩效應和手性交換相互作用（DMI）開展研究。該團隊運用重金屬合金方法調控界面電子結構，觀測到重金屬/鐵磁體系的界面DMI由界面自旋軌道耦合強度和界面軌道雜化共同決定的直接實驗證據，并演示了軌道雜化不變時界面DMI效應隨界面自旋軌道耦合強度的線性依賴關系。進一步，該團隊在組分均勻的磁性單層膜內部發現了全新的體DMI，為研究磁性體系的手性相互作用、拓撲磁學和電流翻轉等物理現象提供了新思路。

近日，朱禮軍團隊通過大量電流翻轉實驗研究，提出了長程層內DMI的物理概念，解釋了垂直磁矩的自旋軌道矩翻轉和磁場翻轉的對稱性破缺、面內磁場直接翻轉垂直磁矩等自旋物理問題。研究表明，磁性異質結存在垂直磁矩并受到面內磁疇的手性交換相互作用的影響，其相互作用距離可達幾個納米；長程手性交換相互作用導致垂直磁矩經歷垂直有效磁場，進而產生在無垂直外加磁場情況的陡直翻轉和自旋軌道矩翻轉電流的對稱性破缺。這種垂直DMI有效磁場隨面內磁場和界面DMI常數變化。該團隊利用長程DMI效應在單個自旋軌道矩器件中實現了可編程的、完整的布爾邏輯運算。

上述研究解開了自旋電子器件翻轉領域的較多謎團，有望促進新型存儲器和邏輯器件的設計研制。相關研究成果以Asymmetric magnetization switching and programmable complete Boolean logic enabled by long-range intralayer Dzyaloshinskii-Moriya interaction為題，發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到科學技術部、國家自然科學基金委員會、中國科學院和北京市的支持。

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