Spin-orbit torque (SOT) is an emerging technology that enables the efficient manipulation of spintronic devices. The initial processes of interest in SOTs involved electric fields, spin-orbit coupling, conduction electron spins and magnetization. More recently interest has grown to include a variety of other processes that include phonons, magnons, or heat. Over the past decade, many materials have been explored to achieve a larger SOT efficiency. Recently, holistic design to maximize the performance of SOT devices has extended material research from a nonmagnetic layer to a magnetic layer. The rapid development of SOT has spurred a variety of SOT-based applications. In this Roadmap paper, we first review the theories of SOTs by introducing the various mechanisms thought to generate or control SOTs, such as the spin Hall effect, the Rashba-Edelstein effect, the orbital Hall effect, thermal gradients, magnons, and strain effects. Then, we discuss the materials that enable these effects, including metals, metallic alloys, topological insulators, two-dimensional materials, and complex oxides. We also discuss the important roles in SOT devices of different types of magnetic layers. Afterward, we discuss device applications utilizing SOTs. We discuss and compare three-terminal and two-terminal SOT-magnetoresistive random-access memories (MRAMs); we mention various schemes to eliminate the need for an external field. We provide technological application considerations for SOT-MRAM and give perspectives on SOT-based neuromorphic devices and circuits. In addition to SOT-MRAM, we present SOT-based spintronic terahertz generators, nano-oscillators, and domain wall and skyrmion racetrack memories. This paper aims to achieve a comprehensive review of SOT theory, materials, and applications, guiding future SOT development in both the academic and industrial sectors.

Yttrium iron garnet (YIG) films that are in the nanometer thickness range and show extremely low damping are reported. The films were deposited via sputtering at room temperature and were then annealed in O $_{2}$ at high temperature. A 22-nm-thick YIG film showed a Gilbert damping constant $\alpha = (8.58\pm 0.21)\times 10^{-5}$ , which represents the lowest damping ever reported for nanometer-thick magnetic films. The film had a gyromagnetic ratio of $\vert\gamma \vert = 2.83$ MHz/Oe and a saturation induction of $4\pi M_{\rm s} = 1766$ G, which are both very close to those of single-crystal YIG bulk materials. The film had a very smooth surface, with an rms surface roughness of about 0.13 nm.

Abstract We report a breakthrough in the hardware implementation of energy-efficient all-spin synapse and neuron devices for highly scalable integrated neuromorphic circuits. Our work demonstrates the successful execution of all-spin synapse and activation function generator using domain wall-magnetic tunnel junctions. By harnessing the synergistic effects of spin-orbit torque and interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction in selectively etched spin-orbit coupling layers, we achieve a programmable multi-state synaptic device with high reliability. Our first-principles calculations confirm that the reduced atomic distance between 5 d and 3 d atoms enhances Dzyaloshinskii-Moriya interaction, leading to stable domain wall pinning. Our experimental results, supported by visualizing energy landscapes and theoretical simulations, validate the proposed mechanism. Furthermore, we demonstrate a spin-neuron with a sigmoidal activation function, enabling high operation frequency up to 20 MHz and low energy consumption of 508 fJ/operation. A neuron circuit design with a compact sigmoidal cell area and low power consumption is also presented, along with corroborated experimental implementation. Our findings highlight the great potential of domain wall-magnetic tunnel junctions in the development of all-spin neuromorphic computing hardware, offering exciting possibilities for energy-efficient and scalable neural network architectures.