傳統(tǒng)的自旋信息器件主要基于對鐵磁材料中磁矩的精確操控與探測,但由于雜散場、較小的磁各向異性場等本征缺陷的存在,使得鐵磁自旋信息器件面臨諸多挑戰(zhàn)。具有零凈磁矩的反鐵磁材料具有超快的自旋動(dòng)力學(xué)特征、極小的雜散場和較強(qiáng)的抗外場干擾能力,在超高密度信息存儲(chǔ)和超高速度信息處理方面具有巨大的應(yīng)用潛力,被認(rèn)為是下一代自旋信息器件非常重要的候選載體材料。拓?fù)浞磋F磁材料(如典型代表Mn3Sn)集合了常規(guī)反鐵磁體中零雜散場和超快自旋動(dòng)力學(xué)特征、以及拓?fù)洳牧现蟹瞧接雇負(fù)淠軒дT導(dǎo)的大磁輸運(yùn)特性等優(yōu)勢,為反鐵磁自旋信息器件的實(shí)際應(yīng)用提供了非常可行的解決方案。其中,如何利用全電學(xué)方法有效操控、探測反鐵磁的磁化狀態(tài),以及設(shè)計(jì)并制備基于反鐵磁材料的新型拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)是其在信息存儲(chǔ)或自旋邏輯器件應(yīng)用中亟待解決的關(guān)鍵問題。
最近,半導(dǎo)體所半導(dǎo)體超晶格國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的王開友課題組與南方科技大學(xué)盧海舟教授合作,在無重金屬電流注入的條件下,利用Mn3Sn自身非平衡局域自旋積累實(shí)現(xiàn)了非共線反鐵磁外爾半金屬的無外場磁化翻轉(zhuǎn),并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了全電控反鐵磁多態(tài)翻轉(zhuǎn)(如圖1所示)。通過與鐵磁/重金屬異質(zhì)結(jié)、共線反鐵磁/重金屬異質(zhì)結(jié)的無外場翻轉(zhuǎn)中讀寫效率比較發(fā)現(xiàn),Mn3Sn具有更高的讀寫效率(反常霍爾電阻率/臨界翻轉(zhuǎn)電流密度),證明Mn3Sn是一種高效且穩(wěn)定性高的反鐵磁材料(如圖2所示)。最后,與Mn3Sn異質(zhì)結(jié)薄膜相比較,理論和實(shí)驗(yàn)表明純Mn3Sn具有最大的對稱性破缺,驗(yàn)證了Mn3Sn全電控磁化翻轉(zhuǎn)的物理來源。該工作解決了具有大讀出信號(hào)的反鐵磁材料難以利用全電學(xué)方法調(diào)控的難題,為設(shè)計(jì)和研制全電控反鐵磁新功能器件和芯片的發(fā)展提供了可行的方案。
圖1 Mn3Sn展現(xiàn)出巨大的反常霍爾效應(yīng),基于非平衡自旋流積累實(shí)現(xiàn)了純Mn3Sn磁化翻轉(zhuǎn),在此基礎(chǔ)上演示了二態(tài)翻轉(zhuǎn)和多態(tài)翻轉(zhuǎn)。
圖2非共線反鐵磁Mn3Sn無外場翻轉(zhuǎn)讀寫效率與其他有序磁性材料/重金屬異質(zhì)結(jié)無外場翻轉(zhuǎn)的比較。結(jié)果表明純Mn3Sn全電控磁化翻轉(zhuǎn)的效率更高。
該工作以“All-electrical switching of a topological non-collinear antiferromagnet at room temperature”為題發(fā)表在National Science Review10, nwac154(2023)(DOI: 10.1093/nsr/nwac154)。半導(dǎo)體所王開友研究員和南方科大盧海舟教授為共同通訊作者,半導(dǎo)體所博士后鄧永城、劉雄華副研究員和南方科大的博士生陳毅遠(yuǎn)、杜宗正副教授為共同第一作者。
為進(jìn)一步探索基于非共線反鐵磁Mn3Sn薄膜的新型拓?fù)渥孕棙?gòu),王開友課題組與半導(dǎo)體所超晶格室的常凱院士課題組和中科院合肥強(qiáng)磁場中心的陸輕鈾教授課題組合作,在Mn3Sn/Pt異質(zhì)結(jié)構(gòu)中,通過調(diào)節(jié)界面Dzyaloshinskii–Moriya相互作用的大小,首次在室溫下實(shí)現(xiàn)了Mn3Sn自旋織構(gòu)從共面倒三角型到Bloch型斯格明子(skyrmions)的演化。此外,在Mn3Sn/Pt系統(tǒng)中,團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了溫度誘導(dǎo)的斯格明子-反鐵磁類半子(meron-like)自旋織構(gòu)的非常規(guī)轉(zhuǎn)變(轉(zhuǎn)變溫度大約220 K)(如圖3所示)。理論計(jì)算表明,這種拓?fù)渥孕棙?gòu)的轉(zhuǎn)變與Mn3Sn晶胞內(nèi)籠目(kagome)亞結(jié)構(gòu)之間反鐵磁交換相互作用的溫度依賴性有關(guān)。該工作不僅證明了非共線反鐵磁異質(zhì)結(jié)系統(tǒng)中豐富多樣的拓?fù)渥孕棙?gòu),而且為利用應(yīng)變或插層等手段調(diào)節(jié)層間相互作用來構(gòu)筑新型拓?fù)渥孕棙?gòu)提供了可行的方案。
圖3設(shè)計(jì)制備的非共線反鐵磁/重金屬(Mn3Sn/Pt)異質(zhì)結(jié)中,利用界面DMI效應(yīng)誘導(dǎo)出室溫斯格明子以及220 K附近發(fā)現(xiàn)的斯格明子-反鐵磁類半子的轉(zhuǎn)變。
該工作以“Topological spin textures in a non-collinear antiferromagnet system”為題發(fā)表在Advanced Materials2211634 (2023)(DOI:10.1002/adma.202211634)。半導(dǎo)體所王開友研究員、中科院合肥強(qiáng)磁場中心陸輕鈾教授和半導(dǎo)體所劉雄華副研究員為共同通訊作者,半導(dǎo)體所劉雄華副研究員,張東副研究員和中科院合肥強(qiáng)磁場中心的馮啟元副研究員為共同第一作者。該工作得到了常凱院士在理論上的悉心指導(dǎo)。
以上工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院先導(dǎo)專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、以及北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)研究專題等基金的支持。
審核編輯 :李倩
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原文標(biāo)題:半導(dǎo)體所在非共線反鐵磁自旋調(diào)控研究中取得新進(jìn)展
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