反鐵磁自旋電子學(xué)是凝聚態(tài)物理和信息技術(shù)中一個快速發(fā)展的領(lǐng)域，在高密度和超快信息器件中具有潛在的應(yīng)用前景。然而，這些器件的實際應(yīng)用，在很大程度上受到室溫下小電流輸出的限制。

在此，來自中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所的曾中明&華中科技大學(xué)的張佳&北京航空航天大學(xué)的蔣成保和劉知琪等研究者描述了共線反鐵磁體MnPt和非共線反鐵磁體Mn₃Pt之間的室溫交換偏置效應(yīng)，它們類似于鐵磁體–反鐵磁體交換偏置系統(tǒng)。

相關(guān)論文以題為“Room-temperature magnetoresistance in an all-antiferromagnetic tunnel junction”于2023年01月18日發(fā)表在Nature上。

反鐵磁體是所有磁性有序材料中數(shù)量最多的。它們通常由兩個或多個磁子晶格組成，這些磁子晶格的排列方式使凈磁化消失。盡管幾十年來反鐵磁自旋電子學(xué)一直被用作磁隧道結(jié)(MTJs)中的輔助交換偏置材料，但近年來反鐵磁自旋電子學(xué)的出現(xiàn)，為將反鐵磁自旋電子學(xué)用作自旋電子器件中的關(guān)鍵功能材料，開辟了多種可能性。

由于反鐵磁交換耦合作用，反鐵磁材料天然具有超快太赫茲自旋動力學(xué)特性。由于沒有雜散磁場，反鐵磁自旋電子器件，可以在不使用非磁性間隔的情況下緊密地封裝。這些特性使它們成為下一代皮秒響應(yīng)和高密度信息載體的理想候選。

然而，大多數(shù)基于相對論性各向異性磁電阻機(jī)制的反鐵磁自旋電子器件，在室溫下表現(xiàn)出非常小的電信號輸出，約為0.1%。這在很大程度上，阻礙了反鐵磁體在實際信息設(shè)備應(yīng)用中的應(yīng)用。

室溫下磁阻超過250%的商用MTJs，通常使用鐵磁體制造。這些器件的典型結(jié)構(gòu)，包括固定鐵磁金屬和由非磁性氧化物絕緣體間隔的自由鐵磁層。

此外，相鄰反鐵磁體對一個鐵磁層的交換偏置釘住，有助于區(qū)分兩個鐵磁層的磁開關(guān)，從而促進(jìn)了非易失性記憶效應(yīng)的實際應(yīng)用。

對于非共線反鐵磁金屬，伴隨的不消失的Berry曲率導(dǎo)致顯著的拓?fù)浞闯；魻栃?yīng)的出現(xiàn)。此外，非共線反鐵磁體的傾斜矩較小，約為幾mμ_B/Mn，具有較弱的磁性，這與異?；魻栯娮璧拇艌鲩_關(guān)有關(guān)。

因此，除了雜散場消失和超快自旋動力學(xué)外，非共線反鐵磁體還可以表現(xiàn)出許多與鐵磁體相似的物理現(xiàn)象。因此，研究者探索了非共線反鐵磁體和共線反鐵磁體之間交換耦合的可能性，以及建立全反鐵磁隧道結(jié)(AATJ)的機(jī)會，如圖1所示。

在此，研究者描述了共線反鐵磁體MnPt和非共線反鐵磁體Mn₃Pt之間的室溫交換偏置效應(yīng)，它們一起類似于鐵磁體-反鐵磁體交換偏置系統(tǒng)。研究者利用這種奇異效應(yīng)建立了具有大的非易失性室溫磁電阻值的全反鐵磁隧道結(jié)，其最大值約為100%。

原子自旋動力學(xué)模擬表明，MnPt界面處的無補(bǔ)償局部自旋產(chǎn)生了交換偏置。第一性原理計算表明，顯著的隧穿磁電阻源于動量空間中Mn₃Pt的自旋極化。全反鐵磁隧道結(jié)器件，具有幾乎消失的雜散場和增強(qiáng)到太赫茲水平的自旋動力學(xué)，可能對下一代高集成和超快存儲器件非常重要。

圖1 AATJ的原理圖

圖2 共線反鐵磁體與非共線反鐵磁體之間的交換耦合

圖3 在室溫下操作的AATJ器件

圖4 AATJ的TMR理論計算

綜上所述，研究者描述了共線和非共線反鐵磁體之間的交換偏置效應(yīng)，理論上發(fā)現(xiàn)它是由MnPt中無補(bǔ)償自旋與Mn₃Pt中自旋之間的界面交換相互作用引起的。

在這種奇異效應(yīng)的基礎(chǔ)上，研究者開發(fā)了具有類似于傳統(tǒng)鐵磁隧道結(jié)的大室溫非揮發(fā)TMR的AATJ器件。TMR效應(yīng)源于非共線反鐵磁體Mn₃Pt費米表面的自旋分裂。

考慮到非共線反鐵磁體表現(xiàn)出可忽略不計的雜散場和高達(dá)太赫茲的超快自旋動力學(xué)，這種類型的AATJs可以促進(jìn)反鐵磁體作為高集成皮秒響應(yīng)信息器件的核心元件的應(yīng)用。

此外，本研究通過實驗驗證了非共線反鐵磁體在動量空間中的自旋分裂可以產(chǎn)生較大的TMR，正如理論預(yù)測的那樣。

蔣成保，男，安徽無為縣人，1968年生。教授、博士生導(dǎo)師、北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副院長。1996年于北京科技大學(xué)材料系獲得博士學(xué)位。愛爾蘭Trinity College訪問學(xué)者和英國伯明翰大學(xué)高級研究學(xué)者。獲得2009年度國家杰出青年基金，入選2011年度教育部“長江學(xué)者特聘教授”。

一直從事磁致伸縮材料、稀土永磁材料和磁性形狀記憶合金研究，作為項目負(fù)責(zé)人承擔(dān)過國家自然基金杰出青年基金、國家自然基金重點基金和國家“973”課題等。已發(fā)表 SCI收錄學(xué)術(shù)論文90余篇，SCI他引近1000次，獲授權(quán)國家發(fā)明專利20項，做國際會議邀請報告10余次。獲北京市教學(xué)成果一等獎、教育部自然科學(xué)一等獎、國防技術(shù)發(fā)明一等獎和國家技術(shù)發(fā)明一等獎各1項。

中國材料研究學(xué)會青年委員會常務(wù)理事、中國稀土學(xué)會理事、中國稀土學(xué)會固體新材料專業(yè)委員會委員、中國電子學(xué)會應(yīng)用磁性分會委員會委員、《稀有金屬》和《稀土》編輯部編委等。

Qin, P., Yan, H., Wang, X.?et al.?Room-temperature magnetoresistance in an all-antiferromagnetic tunnel junction.?Nature?613, 485–489 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05461-y

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05461-y

https://www.buaa.edu.cn/info/1545/1784.htm