Extrinsic and Intrinsic Symmetry Breaking for Field-Free Spin-Orbit Torque Switching

自旋电子学 物理 扭矩 对称(几何) 磁化 凝聚态物理 自旋(空气动力学) 磁场 对称性破坏 功率(物理) 极化(电化学) 神经形态工程学 磁铁 范德瓦尔斯力 铁磁性 垂直的 切换时间 库仑 拓扑(电路) 计算机科学 磁阻随机存取存储器 自旋极化 自发对称破缺 旋转扭矩传递
作者
Mengfan Zhao,Zhicheng Wang,Kun Ye,F. S. Zhang,Zhiyan Jia,Yong Jiang
出处
期刊:Chinese Physics B [IOP Publishing]
标识
DOI:10.1088/1674-1056/aeab5f
摘要

Abstract Spin-orbit torque (SOT) enables efficient manipulation of magnetization. Owing to its advantages of high speed, superior endurance, and low power consumption, SOT is attractive for non-volatile memory and logic devices, and emerges as a core writing mechanism for next-generation magnetic random-access memory. In conventional heavy-metal/ferromagnet heterostructures, the spin Hall effect generates only in-plane spin polarization. Consequently, deterministic SOT switching of perpendicular magnetization relies on an external magnetic field to break symmetry, which imposes a critical limitation on high-density device integration. Over the past several decades, field-free switching has been realized through various strategies, such as wedge-shaped films, composition grading, exchange bias, and canted magnetic moments. However, these approaches typically suffer from slow switching speed, high power consumption, and complex fabrication. Low-symmetry van der Waals (vdW) topological semimetals—including WTe 2 , TaIrTe 4 , and NbIrTe 4 —offer a fundamentally new route for field-free switching. Originating from intrinsic crystal symmetry breaking, their unconventional spin polarization drives robust field-free SOT switching without relying on an external magnetic field. This review systematically summarizes the evolution of field-free SOT switching. We analyze the intrinsic bottlenecks of conventional SOT architectures, then elaborate various categories of symmetry-breaking strategies toward field-free switching, and highlight the unique merits of low-symmetry vdW spin-source materials. In addition, we discuss functional implementations of all-vdW SOT spintronic devices for in-memory logic, nonvolatile magnetic memory, and neuromorphic computing, and conclude by outlining unresolved challenges and prospective research pathways.
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