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原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
傳統的計算機使用電荷存儲大部分信息，但這些存儲是不穩定的，而小型化組件(例如制造高存儲容量的筆記本電腦)會增加它們的功耗。使用電子的自旋（固有角動量）可以更穩定地對信息進行磁性編碼，這種電子形式稱為自旋電子學。然而，商用自旋電子器件比傳統計算機慢，而且對雜散磁場敏感。使用反鐵磁性的磁性來克服這些問題的嘗試尚未能優化這些設備中二元態之間的切換。
基于此，日本東京大學Satoru Nakatsuji等人表明拉伸應變可實現反鐵磁材料中全電轉換。作者通過分子束外延制造重金屬/Mn3Sn異質結構，并使用外延面內拉伸應變引入八極的垂直磁各向異性。通過使用異常霍爾效應展示了在30納米厚的Mn3Sn薄膜中垂直八極極化的 100% 切換。理論表明，在確定性雙向切換過程中，電流引起的自旋積累的極化方向與八極子的極化方向之間的垂直幾何形狀持續最大化自旋軌道扭矩效率。該工作為反鐵磁自旋電子學提供了重要的基礎。
本文要點：
1）實現了反鐵磁材料的全電轉換
作者通過對具有八極子的反鐵磁性Mn3Sn施加拉伸應變來實現完全切換。當Mn3Sn 處于應變狀態時，其磁化方向發生很大變化。作者使用分子束外延的技術生長Mn3Sn薄膜，并通過在材料的晶格和襯底之間引入輕微的不匹配來施加應變。這種應變誘導了八極子的兩個優選方向，借助施加在薄膜平面上的外部磁場，可以實現磁性八極子的全電切換。
圖 應變能夠在反鐵磁材料中實現全電切換
2）探究切換動力學
作者發現使用應變策略使得反鐵磁材料切換動力學與鐵磁體中不同。應變產生了一個強烈優選的磁化方向，這使得磁矩在切換期間保持在該平面中。切換迅速發生，系統無需經過中間狀態，并且一旦電流關閉就達到最終狀態。而鐵磁體趨向于緩慢弛豫至最終狀態。此外，本文中切換所需的電流密度與鐵磁體相當甚至更小，這表明它可以在低功率下運行。
3）未來方向
首先，要完全實現反鐵磁自旋電子器件要使得切換必須在沒有外部磁場的情況下實現。其次，要實現大磁阻，即材料根據磁化方向改變其電阻大小的趨勢。增加磁阻可以提高在材料中檢測到反鐵磁開關的速度。還要探究材料的開關速度是否確實可以達到亞納秒級。最后，分子束外延很難實現大規模生產，如何實現不依賴這種技術的薄膜沉積方法將是使用實現反鐵磁自旋電子器件商業化的關鍵。
圖 Mn3Sn拉伸應變下垂直簇磁八極子的全電切換
圖 傳輸特性和磁各向異性
參考文獻：
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DOI: 10.1038/d41586-022-01941-3.
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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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