Рисунок 1 (a) Схематическая карта симметричного (черная линия) и асимметричного (красная линия) энергетических барьеров для переключения вектора Нееля n.

Исследовательская группа под руководством Гонконгского университета науки и технологий (HKUST) и Университета Цинхуа теоретически предложила новый механизм электрического переключения вектора Нееля на 180° и экспериментально реализовала его в антиферромагнитных материалах со структурой зон спинового расщепления, характеризующейся C- парная блокировка спиновой долины, также называемая альтермагнитом. Команда также продемонстрировала способность материала манипулировать вектором Нееля, открыв путь к производству сверхбыстрых устройств памяти.

Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Антиферромагнитная спинтроника вызвала широкий интерес благодаря своему огромному потенциалу для создания сверхплотной и сверхбыстрой антиферромагнитной памяти, подходящей для современных высокопроизводительных информационных технологий.

Электрическое переключение вектора Нееля на 180° является долгосрочной целью создания электрически управляемой антиферромагнитной памяти с использованием противоположных векторов Нееля в качестве двоичных «0» и «1». Однако современные антиферромагнитные механизмы переключения уже давно ограничены переключением вектора Нееля на 90° или 120°, что неизбежно требует наличия нескольких каналов записи, что противоречит сверхплотной интеграции.

Исследование электрического переключения вектора Нееля на 180° делает спин-расщепляющийся антиферромагнетик новым потенциальным кандидатом на сверхбыструю память.

В частности, в коллинеарном антиферромагнетике вектор Нееля n имеет два устойчивых состояния: n ₊ и n _- с симметричными энергетическими барьерами. Чтобы устранить асимметрию энергетических барьеров, команда под руководством профессора Лю Цзюньвэя, доцента кафедры физики HKUST, предложила создать внешнее магнитное поле для взаимодействия с крошечным моментом, индуцированным DMI.

Затем спин-орбитальный крутящий момент, подобный демпфированию, может быть использован для того, чтобы заставить вектор Нееля n пересечь барьер от n ₊ до n _- , но не сможет пересечь противоположный барьер (рис. 1a). Как показано на рисунке 1b, моделирование модели спина атома показывает, что n можно детерминированно переключить в состояние n + или n - за 0,1 нс. Интегрируя ненулевые кривизны Берри на полосах спинового расщепления модели сильной связи, аномальная холловская проводимость показывает высокую чувствительность к этим двум состояниям n ₊ до n _- , как показано на рисунке 1c.

Рисунок 1 (b) Моделирование спина атома вектора Нееля n в антиферромагнетике Mn₅Si₃.

Рисунок 1 (c) Аномальная холловская проводимость различных антиферромагнитных конфигураций, рассчитанная методом сильной связи.

В экспериментах, проведенных профессором Пан Фэном и профессором Сун Ченгом из Школы материаловедения и инженерии Университета Цинхуа, хорошие циклические характеристики изготовленной тонкой антиферромагнитной пленки Mn₅Si₃ показаны на рисунке 1d, что означает управляемый током угол 180° и переключение вектора Нееля является надежным и устойчивым.

Фактически, несколько лет назад команда представила новую теорию C-парной блокировки спиновой долины (SVL) в Nature Communications, указав новый способ индуцирования намагниченности в антиферромагнетике и заложив основу переключения вектора Нееля.

По сравнению с обычными материалами SVL с Т-парой, материалы SVL с C-парой создают полосы спинового расщепления за счет сильной обменной связи между коллективизированными электронами и локальными магнитными моментами вместо SOC.

Рисунок 1 (d) Хорошие циклические характеристики антиферромагнитного устройства Mn₅Si₃.

Рисунок 2. Энергетические зоны спинового расщепления (а) Т-парного СВЛ и (b) С-парного СВЛ.

Более того, долины спинового расщепления сочетаются с противоположными направлениями вращения благодаря сохраненной симметрии кристалла, а не симметрии обращения времени, как показано на рисунке 2. На практике ток деформации заряда может слегка нарушить или повлиять на симметрию кристалла и поэтому неколлинеарный спиновый ток индуцирует результирующую намагниченность.

На основе теоретического и экспериментального исследования электрического переключения на 180° и считывания вектора Нееля в Mn₅Si₃ доступны электрически управляемые устройства памяти АСМ с высокой эффективностью и высокой воспроизводимостью. Эта фундаментальная работа позволила осуществить преобразование информации между зарядовыми и спиновыми степенями свободы в антиферромагнетике, открыв путь к быстрому развитию спинтроники в электронной промышленности.

Благодаря своему потенциальному применению в качестве устройства хранения данных, например, в жестком диске компьютера, этот материал дает заметные преимущества, включая повышенную скорость чтения и записи, а также повышенную плотность хранения.

В будущем профессор Лю надеется, что команда изучит больше механизмов переключения и лежащую в их основе физику, а также попытается найти более подходящие материальные платформы с более высокой эффективностью.

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org
• Лей Хан и др., Электрическое переключение вектора Нееля на 180° в спинорасщепляющемся антиферромагнетике, Science Advances (2024)