Nature Mater：自旋量子学领域的发展前景

纳米

2022-01-05

铁氧体磁体与拓扑绝缘体为自旋电子学在功能性材料中的应用提供机会。电子具有本征自旋量子态（自旋量子态），这种作用能够用于自旋电子学领域。在自旋电子学中，前期工作中的突破成功实现了发展自旋阀，其中电子流的电阻与自旋的传播方向（向上或者向下）有关，铁磁材料中的自旋排列顺序能够通过磁场进行调控。这种现象的发现成功的夺得2007年诺贝尔物理学奖，以表彰电磁学领域中磁电器件的密度在过去数十年间的巨大发展。

但是，向更小的尺度和更快的时间尺度进行发展的过程中，当使用铁磁材料构建有源自旋电子元件，人们不得不面对着一些问题。比如，铁磁体产生飘移的磁场，导致在较低尺度上组件之间发生串扰现象，因此导致需要发展比有源铁磁元件更好的新型磁性材料。

有鉴于此，近期Nature Materials报道了亚铁磁性材料与拓扑绝缘体材料领域的最新进展，对这些材料在自旋电子学领域的发展前景进行展望。

本文要点：

（1）

亚铁磁体材料由不等价磁性原子以反铁磁性形式相互耦合，形成较小的净磁化强度，材料的性质介于铁磁性和反铁磁性之间。韩国科学技术院Kyung-Jin Lee等综述报道总结此类材料在自旋电子学领域的研究进展。对GdFeCo能够实现飞秒或皮秒尺度的超快磁性控制工作进行介绍和评述，发现该材料中Gd和Fe起到的作用能够分别讨论，对斯格明子（skyrmion）、畴壁两种纳米尺度的磁性结构。亚铁磁体比铁磁体相比，除了表现超快的动力学之外，其优势还在于没有斯格明子（skyrmion）的霍尔效应，因此对于设计基于斯格明子（skyrmion）的赛道记忆体(Racetrackmemory)而言更加简单。此外，讨论了亚铁磁体材料与铁磁体材料的自旋传输过程区别在于导带自旋电子在反铁磁体中运动，导致更高的自旋相干长度能在较低的电流密度中实现对较厚的材料自旋转矩开关。在实际应用中，进一步需要解决的问题是针对亚铁磁体材料表现的随温度变化的现象，以及材料中通常使用反应性较差的稀土元素和导致材料中的不均匀性，优化亚铁磁体结构的高速动力学过程，实现对磁性进行超快速的控制。

（2）

拓扑绝缘体同样受到了广泛关注，拓扑绝缘体材料表现非常有趣的性质，材料的体相为绝缘体，但是界面为导电性，同时表现出自旋-动量锁定。北京大学何庆林、加州大学洛杉矶分校王康隆(Kang L. Wang)等综述报道了此类材料中的体拓扑序和较强的自旋-轨道耦合效应，能够实现较高的电荷-自旋转变，因此能够形成有效的自旋-轨道转矩，能够在较低的能量实现对临近的拓扑绝缘体进行磁性调控、或者在磁拓扑绝缘体中产生磁性转矩。作者同样对反铁磁性绝缘体（比如MnBi₂Te₄）等本征反铁磁绝缘体中的主量子反常霍尔效应与轴子绝缘体相，可能实现量子化的磁电耦合或者能够实现高温的轴子电动力学。

（3）

此外，Nature Materials对其他相关工作报道的有关自旋-轨道转矩有关的非线性反铁磁性，总结了van der Waals异质结用于自旋电子学的前景。

参考文献

Editorial, New horizons in spintronics. Nat. Mater. 21, 1 (2022)

DOI: 10.1038/s41563-021-01184-z

https://www.nature.com/articles/s41563-021-01184-z