Nature：磁性材料，重大突破！

半导体

2022-08-06

特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

传统的计算机使用电荷存储大部分信息，但这些存储是不稳定的，而小型化组件(例如制造高存储容量的笔记本电脑)会增加它们的功耗。使用电子的自旋（固有角动量）可以更稳定地对信息进行磁性编码，这种电子形式称为自旋电子学。然而，商用自旋电子器件比传统计算机慢，而且对杂散磁场敏感。使用反铁磁性的磁性来克服这些问题的尝试尚未能优化这些设备中二元态之间的切换。

基于此，日本东京大学Satoru Nakatsuji等人表明拉伸应变可实现反铁磁材料中全电转换。作者通过分子束外延制造重金属/Mn₃Sn异质结构，并使用外延面内拉伸应变引入八极的垂直磁各向异性。通过使用异常霍尔效应展示了在30纳米厚的Mn₃Sn薄膜中垂直八极极化的 100% 切换。理论表明，在确定性双向切换过程中，电流引起的自旋积累的极化方向与八极子的极化方向之间的垂直几何形状持续最大化自旋轨道扭矩效率。该工作为反铁磁自旋电子学提供了重要的基础。

本文要点：

1）实现了反铁磁材料的全电转换

作者通过对具有八极子的反铁磁性Mn3_Sn施加拉伸应变来实现完全切换。当Mn₃Sn 处于应变状态时，其磁化方向发生很大变化。作者使用分子束外延的技术生长Mn₃Sn薄膜，并通过在材料的晶格和衬底之间引入轻微的不匹配来施加应变。这种应变诱导了八极子的两个优选方向，借助施加在薄膜平面上的外部磁场，可以实现磁性八极子的全电切换。

图 应变能够在反铁磁材料中实现全电切换

2）探究切换动力学

作者发现使用应变策略使得反铁磁材料切换动力学与铁磁体中不同。应变产生了一个强烈优选的磁化方向，这使得磁矩在切换期间保持在该平面中。切换迅速发生，系统无需经过中间状态，并且一旦电流关闭就达到最终状态。而铁磁体趋向于缓慢弛豫至最终状态。此外，本文中切换所需的电流密度与铁磁体相当甚至更小，这表明它可以在低功率下运行。

3）未来方向

首先，要完全实现反铁磁自旋电子器件要使得切换必须在没有外部磁场的情况下实现。其次，要实现大磁阻，即材料根据磁化方向改变其电阻大小的趋势。增加磁阻可以提高在材料中检测到反铁磁开关的速度。还要探究材料的开关速度是否确实可以达到亚纳秒级。最后，分子束外延很难实现大规模生产，如何实现不依赖这种技术的薄膜沉积方法将是使用实现反铁磁自旋电子器件商业化的关键。

图 Mn₃Sn拉伸应变下垂直簇磁八极子的全电切换

图 传输特性和磁各向异性

参考文献：

Kab-Jin Kim, et al. Strain solves switch hitch for an antiferromagnetic material. Nature, 2022, 607:452-453.

DOI: 10.1038/d41586-022-01941-3.

https://www.nature.com/articles/d41586-022-01941-3

Tomoya Higo, et al. Perpendicular full switching of chiral antiferromagnetic order by current. Nature. 2022, 607:474-479.

DOI: 10.1038/s41586-022-04864-1

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