研究背景
隨著自旋電子學的發展，反鐵磁材料因其在高密度和超快信息設備中的潛力而引起了廣泛關注。反鐵磁自旋電子學是一種利用反鐵磁材料實現信息存儲和處理的新興領域，其核心概念是利用反鐵磁材料的獨特自旋動力學來構建高性能的自旋電子器件。然而，傳統的磁隧道結（MTJ）主要由鐵磁材料構成，雖然具有較高的隧道磁阻（TMR）效應，但由于鐵磁材料固有的磁滯損耗和磁干擾問題，限制了其在高密度集成中的應用。此外，盡管反鐵磁材料具有超快自旋動力學和低磁滯的優點，但普通的共線反鐵磁材料無法產生凈自旋極化電流，這使得全反鐵磁性MTJ的實現成為一項挑戰。為了解決上述問題，科學家們致力于開發基于非共線反鐵磁材料的MTJ結構，這些結構利用自旋手性效應而非有限磁化來產生隧道磁阻。然而，即使在這些改進的結構中，由于非共線反鐵磁材料的小凈磁化，仍然存在微弱的磁滯損耗問題。此外，近年來二維磁體的出現為探索新型自旋電子器件提供了新的平臺。二維反鐵磁體具有層間反鐵磁耦合和層內鐵磁耦合的獨特結構，這使得它們在構建新型的全反鐵磁性MTJ方面具有巨大的潛力。為了解決這些問題，馬克斯·普朗克微結構物理研究所Yuliang Chen（第一作者），Stuart S. P. Parkin等人合作在“Nature”期刊上發表了題為“Twist-assisted all-antiferromagnetic tunnel junction in the atomic limit”的最新論文。本研究提出了一種通過扭曲二維反鐵磁材料CrSBr雙層來構建全反鐵磁性隧道結的策略。通過扭曲兩個CrSBr單層，研究團隊在零場下實現了超過700%的非易失性隧道磁阻比率，這一現象源于跨越扭曲單層的累積相干隧穿效應。 此外，研究還發現，與未扭曲的隧道結相比，扭曲隧道結的TMR對溫度的依賴性顯著減弱，這進一步增強了其在實際應用中的吸引力。本研究表明，通過調整二維反鐵磁材料的層間扭曲角度，可以有效解決反鐵磁材料在自旋電子器件中應用的磁滯損耗問題，推動非易失性磁信息存儲器件的發展至原子薄極限。Stuart Parkin教授是馬克斯·普朗克微結構物理研究所所長，馬丁路德·哈勒威登堡大學的洪堡教授。此外，Parkin教授是英國皇家工程院院士、德國國家科學院院士、美國藝術與科學院院士、美國國家科學院院士、世界科學院院士和英國皇家學會會士。在2018-2023年均被科睿唯安評為高被引學者，2023年還被授予“Citation Laureate”的稱號。
研究亮點
1. 實驗首次構建了全反鐵磁性隧道結（MTJ），實現了原子級別的結構。通過扭曲兩個CrSBr二維反鐵磁體（AFM）雙層，展示了全反鐵磁性MTJ的構建策略。這種結構在零場（ZF）下顯示出超過700%的非易失性隧道磁阻（TMR）比率，整個扭曲的堆疊體充當了隧道屏障。 2. 實驗通過計算TMR對扭曲角度的依賴性，驗證了TMR源于通過各個CrSBr單層的累積相干隧穿。通過電子平行動量依賴的衰減計算了TMR的角度依賴性，并與實驗結果（扭曲角度從0°到90°不等）高度一致。此外，實驗還發現，扭曲結的TMR對溫度的依賴性遠低于未扭曲結，這使得扭曲結在實際應用中更具優勢。
圖文解讀
圖3：35°扭曲的CrSBr雙層/雙層MTJ的電輸運結果。
總結展望
本文展示了利用扭曲策略構建全反鐵磁性隧道結（MTJ）的前景，提供了關于高密度、超快信息存儲的科學價值。通過對CrSBr這類二維反鐵磁材料進行扭曲，我們實現了在零場下超過700%的非易失性隧道磁阻（TMR）比率，展示了這種結構在原子級別的巨大潛力。本文的研究表明，通過精確控制二維材料的扭曲角度，可以顯著提升TMR，并且這種TMR對溫度的依賴性較弱，這使得這種新型隧道結在實際應用中更具優勢。這一發現不僅拓展了反鐵磁自旋電子學的應用范圍，還為未來開發原子級別的非易失性磁信息存儲器件提供了新的思路。將二維反鐵磁體用于磁性存儲器件，并通過結構調控實現優異的電性能，顯示了原子級別材料在高性能自旋電子器件中的應用潛力，為高密度、超快數據存儲技術的發展奠定了基礎。 Chen, Y., Samanta, K., Shahed, N.A. et al. Twist-assisted all-antiferromagnetic tunnel junction in the atomic limit. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07818-x
