特別說明：本文由學(xué)研匯技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識。因?qū)W識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。原創(chuàng)丨彤心未泯（學(xué)研匯 技術(shù)中心）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，具有在高密度和超快信息器件中的潛在應(yīng)用。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。有鑒于此，北京航空航天大學(xué)劉知琪教授、蔣成保教授以及中科大張佳教授和中科院蘇州納米所曾中明研究員等人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)。做則會利用這種奇特效應(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。作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)的機會。做則會在尖晶石氧化物鋁酸鎂(MAO)襯底上外延了共線反鐵磁MnPt薄膜和非共線反鐵磁Mn3Pt薄膜。將非共線Mn3Pt與共線MnPt結(jié)合后，非共線Mn3Pt層的反常霍爾環(huán)在室溫下基本偏置，用于切換反常霍爾電阻的等效磁場從42 mT增加到72 mT。這種行為類似于交換偏置鐵磁體-反鐵磁體系統(tǒng)。作者還測量了交換偏置作為溫度和MnPt厚度的函數(shù)，交換偏置和矯頑力隨著MnPt厚度的增加和測量溫度的降低而增加。為了進一步了解非共線反鐵磁體Mn3Pt和共線反鐵磁體MnPt之間的奇特交換偏置效應(yīng)，作者系統(tǒng)地進行了原子自旋動力學(xué)模擬，獲得與Mn3Pt薄膜的實驗結(jié)果非常一致的磁滯回線。
作者使用這種交換偏置雙分子層反鐵磁堆疊，通過在其上沉積一層薄的絕緣MgO層和一層薄的Mn3Pt覆蓋層制備了一個隧道結(jié)器件。通過高分辨率磁強計測量，可以清楚地看到固定和頂部游離Mn3Pt層的微小磁矩。最大室溫隧穿磁阻(TMR)達到約100%，這比基于各向異性磁阻機制的傳統(tǒng)單層反鐵磁自旋電子器件的信號輸出大了3個數(shù)量級。
作者討論了以非共線反鐵磁體為關(guān)鍵功能層的AATJ中TMR的可能物理機制。在實驗中觀察到的MgO薄膜屏障下的大TMR效應(yīng)可能是由MgO薄膜的缺陷引起的，例如由大晶格失配、界面粗糙度等缺陷引起的晶界和位錯。因此，在制備的隧道結(jié)中，MgO勢壘可能失去了過濾Γ點附近電子傳輸?shù)哪芰Γ@導(dǎo)致了觀測到的大TMR。在類似的反鐵磁隧道結(jié)中，使用SrTiO3作為隧道勢壘可以進一步證實這一點。
Qin, P., Yan, H., Wang, X. et al.Room-temperature magnetoresistance in an all-antiferromagnetic tunnel junction. Nature 613, 485–489 (2023).DOI:10.1038/s41586-022-05461-yhttps://doi.org/10.1038/s41586-022-05461-y
