磁性随机存储器 (magnetoresistive random access memory) ，简称MRAM，具有高速读写能力和非易失性特性，是信息技术领域的研究热点。典型的MRAM磁性多层膜包含自由层、中间层和钉扎层。利用电流产生的奥斯特磁场或自旋力矩效应，可以实现自由层与钉扎层磁矩的平行或反平行排列，从而实现与二进制位“0”和“1”相对应的低电阻和高电阻状态。然而，基于电流的磁性调控方法，会引入较大焦耳热损耗，在增加自旋器件能耗的同时，也限制了自旋器件的微型化以及高密度集成。

       若能利用电场调控磁性金属，实现磁矩的翻转，就能规避焦耳热损耗问题，相关研究因而受到广泛关注。但由于电场自身无法打破时间反演对称性，同时由于金属静电屏蔽效应，在传统铁磁金属材料中，难以通过电场实现磁矩的180°翻转。因此，如何利用电场调控磁性金属，已成为发展未来自旋器件与芯片亟需解决的关键科学问题之一。

图1. 电场型自旋器件的工作原理示意图。利用电场调控磁性层/中间层/磁性层膜堆结构中磁矩的相对取向，从而实现与二进制位“0”和“1”相对应的低电阻和高电阻状态。

       为解决上述问题，基于江万军课题组在自旋电子学领域的研究基础，并结合于浦课题组在离子调控领域的研究积累，清华大学物理系建立了联合攻关团队,将离子调控技术引入到电场调控磁性金属的研究中，并取得重要进展。江万军课题组前期研究了由稀土-过渡族金属组成的亚铁磁合金，发现这类材料具有两套反铁磁耦合的磁亚晶格。若能够通过栅压方式，改变这两套反平行磁矩的相对大小和方向，则有望实现磁矩的180°相对翻转，并进一步开发出高效能的电场型自旋器件（图1）。于浦课题组前期发展出了离子液体电场调控技术，并演示了关联氧化物的丰富、可调物性。研究团队在室温条件下，利用离子液体电场调控技术，基于补偿型亚铁磁金属FeTb，实现了金属亚铁磁序的可逆电场调控，以及垂直磁矩的180°翻转（图2）。通过开发片上纳米磁体集成技术，研究团队成功实现了无外磁场辅助的垂直磁矩180°翻转，为自旋器件的小型化和集成化提供了解决途径。结合元素、自旋、轨道分辨的磁性测量以及质谱分析等技术手段，团队揭示了磁矩翻转机理与氢离子动态嵌入和析出的关联。在正电压作用下，氢离子注入亚铁磁金属材料内部，而在负电压作用下，氢离子则从亚铁磁金属材料中析出。最终发现金属材料中氢含量，会显著改变稀土元素Tb亚晶格的自旋和轨道磁矩，进而调节了Fe与Tb亚晶格磁矩的相对大小和方向，最终导致亚铁磁序的相对翻转。研究团队还结合巨磁阻 (giant magnetoresistance) 效应，首次演示了一种三端磁电自旋存储器件。该器件通过改变栅压的极性，实现了垂直磁矩180°翻转，在完成对应自旋信息写入的同时，利用磁电阻变化实现了自旋信息读取，完整展示了电场写入、电阻读取的自旋存储器件功能。此项工作不仅揭示了磁离子调控在电控磁效应中的应用潜力，还为开发面向未来的自旋存储器件提供了新思路。

图2. 电场调控FeTb金属材料中垂直磁矩180°翻转。在固定垂直磁场的辅助下，反常霍尔电阻随外加电压变化呈现高/低阻态切换。中间插图为离子液体调控亚铁磁金属的示意图。在正/负电压（）作用下，氢离子注入/析出，会改变Fe和Tb亚晶格磁矩的相对大小，从而实现金属材料中亚铁磁序的翻转。

       该研究成果以“Room-temperature magnetoelectric switching and magnetoelectric memory driven by gate voltage”为题发表在《物理评论X》(Physical Review X)上。清华大学物理系博士生程阳、田笛、何行和中国科学院合肥物质科学研究院许腾副研究员（原清华物理系博士后）为共同第一作者；清华大学物理系江万军副教授、于浦教授和中国科学院合肥物质科学研究院许腾副研究员为共同通讯作者。论文合作者包括清华大学物理系博士生白昊、董一擎（已毕业）、赵乐（已毕业），上海科技大学物质科学与技术学院张石磊研究员、金浩楠博士后，以及西班牙ALBA同步辐射光源Manuel Valvidares博士和Weibin Li博士。该工作受到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金基础科学中心项目、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金杰出青年科学基金项目、国家自然科学基金创新群体项目、北京市自然科学基金和量子科技创新计划的资助。

       文章链接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.15.011060