2023年北京航空航天大学首篇Nature

反铁磁自旋电子学是凝聚态物理和信息技术中一个快速发展的领域，具有高密度和超快信息器件的潜在应用。然而，这些器件的实际应用在很大程度上受到室温下小电流输出的限制。

2023年1月18日，北京航空航天大学刘知琪教授、蒋成保教授与华中科技大学张佳教授以及苏州纳米所曾中明研究员合作在Nature 杂志在线发表题为“Room-temperature magnetoresistance in an all-antiferromagnetic tunnel junction”的研究论文，该研究描述了一个串联反铁磁体（MnPt）和非串联反铁磁体（Mn3Pt）之间的室温交换偏压效应，它们共同类似于铁磁体-反铁磁体交换偏压系统。作者利用这种奇特的效应建立了全反铁磁隧道结，其非挥发性的室温磁阻值很大，最高达到约100%。原子自旋动力学模拟表明，MnPt界面处的无补偿局部自旋产生了交换偏置。第一性原理计算表明，显著的隧穿磁电阻源于动量空间中Mn3Pt的自旋极化。

总之，全反铁磁隧道结器件，具有几乎消失的杂散场和强烈增强的自旋动力学高达太赫兹水平，可能是下一代高集成和超快存储设备的重要。

反铁磁体是所有磁性有序材料中数量最多的。它们通常由两个或多个磁子晶格组成，这些磁子晶格的排列方式使净磁化消失。尽管几十年来反铁磁自旋电子学一直被用作磁隧道结(magnetic tunnel junctions, MTJs)中的辅助交换偏压材料，但近年来反铁磁自旋电子学的出现为将反铁磁自旋电子学用作自旋电子器件中的关键功能材料开辟了多种可能性。

由于反铁磁交换耦合作用，反铁磁材料天然具有超快太赫兹自旋动力学特性。由于没有杂散磁场，反铁磁自旋电子器件可以在不使用非磁性间隔的情况下紧密地封装。这些特性使它们成为下一代皮秒响应和高密度信息载体的理想人选。然而，大多数基于相对论性各向异性磁电阻机制的反铁磁自旋电子器件在室温下表现出非常小的电信号输出，约为0.1%。这在很大程度上阻碍了反铁磁体在实际信息设备应用中的应用。

室温下磁阻超过250%的商用MTJs通常使用铁磁体制造。这些器件的典型结构包括固定铁磁金属和由非磁性氧化物绝缘体间隔的自由铁磁层。此外，相邻反铁磁体对一个铁磁层的交换偏置钉住有助于区分两个铁磁层的磁开关，从而促进了非易失性记忆效应的实际应用。

在这项研究中，研究人员探索了非共线性反铁磁体和共线性反铁磁体之间交换耦合的可能性，以及建立全反铁磁隧道结（AATJ）的机会。

进一步在尖晶石氧化物MgAl2O4（MAO）基底上制造了外延式抗铁磁性MnPt薄膜和非共轭抗铁磁性Mn3Pt薄膜。Mn3Pt(5 nm)/MnPt(10 nm)/MAO双层异质结构的X射线衍射图案显示了MnPt和Mn3Pt薄膜的（001）取向单晶外延峰。在MAO上制造的单个单层显示了MnPt/MAO异质结构的线性霍尔效应和Mn3Pt/MAO异质结构的反常霍尔效应。这与MnPt和Mn3Pt的串联和非串联反铁磁秩序分别是一致的。将非共轭Mn3Pt与共轭MnPt结合后，非共轭Mn3Pt层的反常霍尔回路在室温下大幅偏压，切换反常霍尔电阻的等效磁场从42mT增加到72mT。这种行为类似于交换偏压的铁磁体-反铁磁体系统的行为。这些实验结果表明，非共轭反铁磁秩序确实可以被邻近的共轭反铁磁有效地钉住。

图1. AATJ的原理图（图源自Nature ）

接下来，研究人员使用这个交换偏压的双层反铁磁堆栈，通过沉积一个薄的（约2.5nm）绝缘氧化镁层和一个薄的Mn3Pt（约5nm）封顶层来制造一个隧道结装置。顶部的Mn3Pt盖层作为一个自由的非共轭层，类似于商业MTJ中的自由磁层。通过高分辨率的磁力计测量，销钉层和顶部自由Mn3Pt层的微小磁矩清晰可见。

最后讨论了在以非共轭反铁磁体为关键功能层的AATJ中TMR的可能物理机制。尽管采用了与传统铁磁隧道结类似的多层样品结构，但值得强调的是，传统MTJs和作者的AATJs的物理机制是完全不同的。对于传统的MTJs，TMR效应来自于多数自旋通道和少数自旋通道之间的交换分裂，这在费米能处为两个自旋通道产生不同的带状结构。

相比之下，对于这里研究的AATJs，TMR效应源于非共轭反铁磁体的特定磁空间群所确保的动量依赖的自旋极化。在AATJs中产生TMR是不需要有净磁矩的，尽管所制备的Mn3Pt薄膜有微小的净磁矩，这反过来促进了磁场对复杂自旋结构的控制。因此，与非共轭反铁磁体有关的TMR效应是一个以前未被描述的物理现象。

图2. AATJs的TMR理论计算（图源自Nature ）

综上所述，这项研究描述了平行反铁磁体和非平行反铁磁体之间的交换偏置效应，理论上发现它是由MnPt中未补偿的自旋和Mn3Pt中的自旋之间的界面交换作用引起的。在这种奇异效应的基础上，开发了AATJ器件，能够实现类似于传统铁磁隧道结的大型室温非挥发性TMR。考虑到非共轭反铁磁体表现出可忽略的杂散场和高达太赫兹的超快自旋动力学，这种类型的AATJs可以促进反铁磁体的应用，作为高度集成的皮秒响应信息设备的核心元件。此外，这项研究从实验上验证了非共轭反铁磁体在动量空间的自旋分裂可以产生一个大的TMR。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05461-y

转自：“iNature”微信公众号

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