早期的磁隧道結(jié)依靠磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn)，這種方式往往功耗較高，隨著工藝尺寸減小, 寫入電流將急劇增大, 難以在納米磁隧道結(jié)中推廣應(yīng)用。1996年, Slonczewski和Berger從理論上預(yù)測(cè)了種被稱為自旋轉(zhuǎn)移矩（Spin Transfer Torque, STT）的純電學(xué)的磁隧道結(jié)寫入方式，克服了傳統(tǒng)磁場(chǎng)寫入的缺點(diǎn)，并且寫入電流的大小可隨工藝尺寸的縮小而減小。2000年前后, 自旋轉(zhuǎn)移矩在實(shí)驗(yàn)上被用于實(shí)現(xiàn)金屬多層膜的磁化翻轉(zhuǎn)[1]?；诖诵?yīng)，種新型的微波振蕩器被提出來(lái)，即自旋轉(zhuǎn)移力矩納米振蕩器（STNO），用自旋化電流誘導(dǎo)納米磁體磁矩翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了微波振蕩。

      STNO的典型結(jié)構(gòu)采用個(gè)三明治結(jié)構(gòu)“固定鐵磁層FM/非磁性層NM/自由鐵磁層FM”來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閮?nèi)部阻尼的作用，為了維持自振蕩，需要10⁶ - 10⁸ A /cm²的大電流密度，這可以通過(guò)在三層膜上使用納米觸點(diǎn)對(duì)電流實(shí)現(xiàn)空間壓縮來(lái)實(shí)現(xiàn)，這也是小型化磁振子器件中有效的自旋波注入器。隧穿磁電阻(TMR)比巨磁阻(GMR)高個(gè)或多個(gè)數(shù)量，為了實(shí)現(xiàn)的電子自旋波讀出，磁振子器件還必須基于磁隧道結(jié)(MTJ)。

圖1：a.普通納米觸點(diǎn)振蕩器結(jié)構(gòu)；b.寬邊帽納米觸點(diǎn)振蕩器結(jié)構(gòu)；c.磁滯回線；d.磁電阻測(cè)試：內(nèi)嵌圖為自由層的鐵磁共振頻率和面內(nèi)磁場(chǎng)關(guān)系。（圖片來(lái)源： Nature Communications (2018) 9:4374）

      與頂部金屬層相比，MTJ隧穿勢(shì)壘的導(dǎo)電性相對(duì)較低，導(dǎo)致普通納米觸點(diǎn)的大橫向電流分流（圖1a）。為了使更多的電流通過(guò)MTJ，哥德堡大學(xué)物理系的J. Åkerman課題組采用了寬邊帽結(jié)構(gòu)納米觸點(diǎn)，當(dāng)MTJ覆蓋層從納米觸點(diǎn)向外延伸時(shí)，帽狀帽層逐漸變薄，并使用層1.5Ωm²低阻面積(RA)產(chǎn)品的MgO進(jìn)步促進(jìn)隧穿勢(shì)壘(圖1b)。

圖2：不同驅(qū)動(dòng)電流下功率譜密度和磁場(chǎng)關(guān)系，a Idc= −5 mA, b Idc =−6 mA, c Idc= −7 mA, d Idc = −8 mA, e Idc = −9 mA, and f Idc =−10 mA.（圖片來(lái)源： Nature Communications (2018) 9:4374）

      所得到的器件表現(xiàn)出與納米觸點(diǎn)STNO相關(guān)的典型自旋波模式，在不同驅(qū)動(dòng)電流下觀測(cè)到兩個(gè)二階和三階傳播自旋波模態(tài)（如圖2），這兩種模式的波長(zhǎng)估計(jì)分別為120和74納米，比150納米觸點(diǎn)小得多。該研究表明這些高階傳播的自旋波將使磁振子器件能夠在*的頻率下工作，并大大增加它們的傳輸速率和自旋波傳播長(zhǎng)度。

      值得注意的是，該研究的鐵磁共振測(cè)試使用了瑞典NanOsc公司的CryoFMR結(jié)合美國(guó)Montana公司的超精細(xì)多功能無(wú)液氦低溫光學(xué)恒溫器，可以提供0.7T以上，10K~350K的變溫，以及2~40GHz的高精度鐵磁共振測(cè)試（如圖3），用戶可以快速有效的獲取阻尼系數(shù)α，以及有效磁矩 Meff，旋磁比γ，非均勻展寬ΔHo等動(dòng)態(tài)磁學(xué)參數(shù)，也可以表征靜態(tài)磁學(xué)性能，如飽和磁化強(qiáng)度Ms等。此外，NanOsc公司的FMR測(cè)試系統(tǒng)還可以搭配電磁鐵、PPMS、VersaLab等平臺(tái)進(jìn)行常溫或低溫下的鐵磁共振測(cè)試。

圖3：CryoFMR+Montana恒溫器

      NanOsc公司注重用戶的使用體驗(yàn)，許多用戶有反饋鐵磁共振測(cè)試系統(tǒng)只能固定頻率來(lái)進(jìn)行磁場(chǎng)掃描，是否可以增加固定磁場(chǎng)來(lái)掃頻率的功能。經(jīng)過(guò)大半年的時(shí)間，NanOsc公司完成了設(shè)備的升與測(cè)試，兩種模式下的測(cè)試結(jié)果匹配度非常高（如圖4，如需更多測(cè)試結(jié)果，請(qǐng)與我們聯(lián)系）。未來(lái)正式發(fā)布的新的鐵磁共振測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)固定磁場(chǎng)掃頻率的功能，原來(lái)已購(gòu)買的系統(tǒng)可以進(jìn)行付費(fèi)升。

圖4 ：NanOsc鐵磁共振測(cè)試10nm NiFe
上：固定頻率掃磁場(chǎng)模式 下：固定磁場(chǎng)掃頻率模式

參考文獻(xiàn)：
[1] 趙巍勝,王昭昊,彭守仲, 王樂(lè)知, 常亮, 張有光, STT-MRAM存儲(chǔ)器的研究進(jìn)展.中國(guó)科學(xué): 物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué) 46, 107306 (2016 )
[2] Houshang, A. , J. Åkerman,et al. Nature Communication (2018) 9:4374