Field-free spin–orbit torque switching in synthetic antiferromagnets (SAF) holds significant promise for high-density spintronic memory and logic devices. In this paper, we realize the field-free magnetization switching in SAFs due to the local ion implantation-induced 45° lateral interface and symmetry breaking. Moreover, the magnetization switching ratio is enlarged by the lateral interface owing to the superimposition of a damping-like effective field and a symmetry-breaking effective field. Our work is significant for the development of magnetic random-access memory technology with high-speed and anti-interference ability.

2.
J. M.
Hu
,
Z.
Li
,
L.
Chen
, and
C.
Nan
,
Nat. Commun.
2
,
553
(
2011
).
3.
S.
Bhatti
,
R.
Sbiaa
,
A.
Hirohata
,
H.
Ohno
,
S.
Fukami
, and
S. N.
Piramanayagam
,
Mater. Today
20
,
530
(
2017
).
5.
H.
Yang
,
S.
Valenzuela
,
M.
Chshiev
,
S.
Couet
,
B.
Dieny
,
B.
Dlubak
,
A.
Fert
,
K.
Garello
,
M.
Jamet
,
D.
Jeong
,
K.
Lee
,
T.
Lee
,
M.
Martin
,
G.
Kar
,
P.
Seneor
,
H.
Shin
, and
S.
Roche
,
Nature
606
,
663
(
2022
).
7.
R.
Chen
,
R.
Zhang
,
L.
Liao
,
X.
Chen
,
Y.
Zhou
,
Y.
Gu
,
M.
Saleem
,
X.
Zhou
,
F.
Pan
, and
C.
Song
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
132403
(
2019
).
8.
R.
Duine
,
K.
Lee
,
S.
Parkin
, and
M.
Stiles
,
Nat. Phys.
14
,
217
(
2018
).
9.
J.
Hayakawa
,
S.
Ikeda
,
Y.
Lee
,
R.
Sasaki
,
T.
Meguro
,
F.
Matsukura
,
H.
Takahashi
, and
H.
Ohno
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
45
,
1057
(
2006
).
10.
C.
Yoshida
,
T.
Takenaga
,
Y.
Iba
,
Y.
Yamazaki
,
H.
Noshiro
,
K.
Tsunoda
,
A.
Hatada
,
M.
Nakabayashi
,
A.
Takahashi
,
M.
Aoki
, and
T.
Sugii
,
IEEE Trans. Magn.
49
,
4363
(
2013
).
11.
C.
Bi
,
H.
Almasi
,
K.
Price
,
T.
Newhouse-Illige
,
M.
Xu
,
S. R.
Allen
,
X.
Fan
, and
W.
Wang
,
Phys. Rev. B
95
,
104434
(
2017
).
12.
Q.
Ma
,
Y.
Li
,
Y.
Choi
,
W.
Chen
,
S.
Han
, and
C.
Chien
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
172403
(
2020
).
13.
L.
Zhu
,
X.
Xu
,
M.
Wang
,
K.
Meng
,
Y.
Wu
,
J.
Chen
,
J.
Miao
, and
Y.
Jiang
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
112401
(
2020
).
14.
L.
Liu
,
X.
Zhao
,
W.
Liu
,
Y.
Song
,
X.
Zhao
, and
Z.
Zhang
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
54
,
505003
(
2021
).
15.
X.
Zhao
,
L.
Ji
,
W.
Liu
,
S.
Li
,
L.
Liu
,
Y.
Song
,
Y.
Li
,
J.
Ma
,
X.
Sun
,
H.
Wang
,
X.
Zhao
, and
Z.
Zhang
,
Phys. Rev. Appl.
13
,
004074
(
2020
).
16.
X.
Luo
,
Y.
Wang
,
S.
Liu
,
T.
Guo
,
X.
Han
, and
G.
Yu
,
J. Phys.: Condens. Matter
35
,
264004
(
2023
).
17.
R.
Chen
,
Q.
Cui
,
L.
Liao
,
Y.
Zhu
,
R.
Zhang
,
H.
Bai
,
Y.
Zhou
,
G.
Xing
,
F.
Pan
,
H.
Yang
, and
C.
Song
,
Nat. Commun.
12
,
3113
(
2021
).
18.
W.
He
,
C.
Wan
,
C.
Zheng
,
Y.
Wang
,
X.
Wang
,
T.
Ma
,
Y.
Wang
,
C.
Guo
,
X.
Luo
,
M. E.
Stebliy
,
G.
Yu
,
Y.
Liu
,
A. V.
Ognev
,
A. S.
Samardak
, and
X.
Han
,
Nano Lett.
22
,
6857
(
2022
).
19.
Z.
Wang
,
P.
Li
,
M.
Fattouhi
,
Y.
Yao
,
Y. L. W.
Van Hees
,
C. F.
Schippers
,
X.
Zhang
,
R.
Lavrijsen
,
F.
Garcia-Sanchez
,
E.
Martinez
,
A.
Fert
,
W.
Zhao
, and
B.
Koopmans
,
Cell Rep. Phys. Sci.
4
,
101334
(
2023
).
20.
H.
Fan
,
M.
Jin
,
Y.
Luo
,
H.
Yang
,
B.
Wu
,
Z.
Feng
,
Y.
Zhuang
,
Z.
Shao
,
C.
Yu
,
H.
Li
,
J.
Wen
,
N.
Wang
,
B.
Liu
,
W.
Li
, and
T.
Zhou
,
Adv. Funct. Mater.
33
,
2211953
(
2023
).
21.
Y.
Zhao
,
S.
Yang
,
K.
Wu
,
X.
Li
,
X.
Zhang
,
L.
Li
,
Z.
Chu
,
C.
Bi
, and
Y.
Zhou
,
Appl. Phys. Lett.
120
,
22401
(
2022
).
22.
P.
Zhang
,
L.
Liao
,
G.
Shi
,
R.
Zhang
,
H.
Wu
,
Y.
Wang
,
F.
Pan
, and
C.
Song
,
Phys. Rev. B
97
,
214403
(
2018
).
23.
S.
Yang
,
K.
Ryu
, and
S.
Parkin
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
221
(
2015
).
24.
T.
Lee
,
J.
Kim
,
S.
An
,
S.
Jeong
,
D.
Lee
,
D.
Jeong
,
N. J.
Lee
,
K. S.
Lee
,
C. Y.
You
,
B. G.
Park
,
K. J.
Kim
,
S.
Kim
, and
S.
Lee
,
Acta Mater.
246
,
118705
(
2023
).
25.
Y.
Li
,
M.
Yang
,
G.
Yu
,
B.
Cui
, and
J.
Luo
,
Appl. Phys. Lett.
120
,
062402
(
2022
).
26.
M.
Yang
,
Y.
Li
,
J.
Luo
,
Y.
Deng
,
N.
Zhang
,
X.
Zhang
,
S.
Li
,
Y.
Cui
,
P.
Yu
,
T.
Yang
,
Y.
Sheng
,
S.
Wang
,
J.
Xu
,
C.
Zhao
, and
K.
Wang
,
Phys. Rev. Appl.
15
,
054013
(
2021
).
27.
Y.
Li
,
M.
Yang
, and
J.
Luo
,
J. Mater. Sci.: Mater. Electron.
33
,
6681
(
2022
).
28.
D.
Litvinov
,
J.
Wolfe
,
E.
Svedberg
,
T.
Ambrose
,
K.
Howard
,
F.
Chen
,
T.
Schlesinger
, and
S.
Khizroev
,
J. Magn. Magn. Mater.
283
,
128
(
2004
).
29.
D.
Kim
,
C.
Kim
,
H.
Kim
, and
J.
Lee
,
J. Magn. Magn. Mater.
226–230
,
738
(
2001
).
30.
D.
Kumar
,
S.
Gupta
,
T.
Jin
,
R.
Nongjai
,
K.
Asokan
, and
S. N.
Piramanayagam
,
IEEE Magn. Lett.
9
,
4500305
(
2018
).
31.
Y.
Zhao
,
J.
Wang
,
L.
Xu
,
P.
Yu
,
M.
Hou
,
F.
Meng
,
S.
Xie
,
Y.
Meng
,
R.
Zhu
,
Z.
Hou
,
M.
Yang
,
J.
Luo
,
J.
Wu
,
Y.
Xu
,
X.
Gao
,
C.
Feng
, and
G.
Yu
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
15
,
15004
(
2023
).
32.
Y.
Zhang
,
X.
Zhang
,
N.
Vernier
,
Z.
Zhang
,
G.
Agnus
,
J.-R.
Coudevylle
,
X.
Lin
,
Y.
Zhang
,
Y.-G.
Zhang
,
W.
Zhao
, and
D.
Ravelosona
,
Phys. Rev. Appl.
9
,
064027
(
2018
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.