清華大學近日發文，宣布清華材料學院宋成、潘峰團隊在自旋電子學材料與器件方向取得重要進展，實現了手性反鐵磁序的高效全電學完全翻轉。
該研究打通了手性反鐵磁從基礎研究走向器件應用的關鍵環節，為開發兼具超高密度、超快讀寫和低功耗特性的新一代磁存儲奠定了技術基礎。相關成果已于 2 月 25 日發表在《自然》上。
長期以來，磁存儲技術的發展面臨兩難困境：鐵磁電學讀寫便捷，卻因雜散場制約了存儲密度的提升，且吉赫茲動力學頻率為電學寫入速度設定了上限；反鐵磁材料雖無雜散場且具備太赫茲動力學優勢，但電學讀寫困難。
手性反鐵磁材料因其非共線自旋，同時擁有太赫茲磁動力學、零雜散場和自旋劈裂能帶等特性，被視為突破這一瓶頸的理想體系。然而，如何在零磁場下實現對其磁序的高效電學操控，始終是推動其走向應用的核心挑戰。
針對這一挑戰，研究團隊通過同質結設計整合了手性反鐵磁的“非共線自旋指紋”的兩個核心維度，利用非常規自旋流誘發手性反鐵磁序的非常規磁動力學，實現了全電學完全翻轉。該方案在具備可控的零場翻轉極性的同時，效率也實現了大幅度躍升。
在此基礎上，研究團隊從磁八極子視角切入，破解了手性反鐵磁電學翻轉的“效率密碼”：通過對驅動力和能壘的系統性理論分析，指出自旋極化與磁易面的傾斜幾何構型能夠突破長久以來的“超低的能壘和超高效的驅動力無法共存”的限制，是實現高效全電學翻轉的關鍵。該機制對其他易面非常規磁體也具有推廣意義。
實驗中采用分子束外延技術制備 Mn3Sn 同質結，通過預磁化控制實現零場翻轉極性反轉。測試顯示該翻轉方式具備優越的抗磁場干擾能力。據論文數據，新構型在臨界電流密度、功耗及反常霍爾矯頑力與電流密度比值三項指標上均顯著優化，其中第三項指標較鐵磁材料提升兩個數量級。
該成果為開發兼具高密度、低功耗及超快讀寫特性的新型磁存儲技術奠定基礎，同時為太赫茲納米振蕩器等器件研發提供支撐。研究歷經五年時間，通過優化分子束外延工藝克服了材料晶體生長難題。團隊表示正在推進相關器件的應用研究。
轉自：IT之家
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