通过电场与电流诱导转矩实现磁性的电学调控

尽管早期的磁存储器设计依赖由局域产生磁场进行磁化翻转，但凝聚态物理中的关键洞见后来提示了以电学方式实现的可能性。1990 年代，Slonczewzki 与 Berger 阐述了磁多层膜中电流诱导自旋转矩的概念，借此自旋极化电流可翻转铁磁体的磁化。该发现推动了自旋转移转矩磁随机存取存储器（STT-MRAM）的发展。更近的研究揭示了自旋轨道转矩（SOT）并将催生包括 SOT-MRAM 在内的新一代器件。与这些进展并行，多铁性材料及其磁电耦合经历复兴，带来面向信息与通信技术的新颖器件概念如 MESO 晶体管。磁性电学调控的历程，正是基础研究（自旋电子学、凝聚态物理与材料科学）与技术（MRAM、MESO、微波发射器、自旋二极管、基于 skyrmion 的器件、面向神经形态计算的组件等）共舞的故事。这一双人舞在过去数十年催生了重大突破（纯自旋流、磁性 skyrmion、自旋-电荷相互转换等）。其结果，该领域将 MRAM 推进至消费电子产品，也推动了铁电体或磁子学等相邻研究领域的发现。本文涵盖电场与电流诱导转矩调控磁性的近期进展。我们首先综述这两个方向的基础概念，继而讨论其结合，最后呈现利用磁性电学调控服务于各类应用领域的大量器件族。我们结尾从新兴基础物理概念与材料科学新方向给出展望。