Forskere udvikler mekanisme til elektrisk 180° omskiftning af Néel-vektor i spin-splittende antiferromagnet

Et forskerhold ledet af Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) og Tsinghua University har teoretisk foreslået en ny mekanisme til elektrisk 180° omskiftning af Néel-vektor og eksperimentelt realiseret den i antiferromagnetiske materialer med spin-splittende båndstruktur med C- parret spin-dal-låsning, også kaldet en altermagnet. Holdet demonstrerede også materialets evne til at manipulere Néel-vektor, hvilket banede vejen for fremstilling af ultrahurtige hukommelsesenheder.

Undersøgelsen er publiceret i Science Advances .

Antiferromagnetisk spintronik har vakt stor interesse på grund af dets enorme potentiale for at skabe ultratæt og ultrahurtig antiferromagnetisk hukommelse, der er velegnet til moderne højtydende informationsteknologier.

Den elektriske 180°-omskiftning af Néel-vektoren er et langsigtet mål for at producere elektrisk kontrollerbar antiferromagnetisk hukommelse ved at bruge modsatte Néel-vektorer som binære "0" og "1". Imidlertid har de avancerede antiferromagnetiske koblingsmekanismer længe været begrænset til 90° eller 120° kobling af Néel-vektor, hvilket uundgåeligt kræver flere skrivekanaler, der modsiger ultratæt integration.

Studiet af elektrisk 180° omskiftning af Néel-vektor gør spin-splittende antiferromagnet til en ny potentiel kandidat til ultrahurtig hukommelse.

Specifikt i collineær antiferromagnet har Néel-vektoren n to stabile tilstande:n₊ og n_- med symmetriske energibarrierer. For at efterlade en asymmetri af energibarrierer foreslog holdet ledet af prof. Liu Junwei, lektor ved Institut for Fysik ved HKUST at udøve et eksternt magnetfelt for at interagere med det lille DMI-inducerede øjeblik.

Derefter kan det dæmpende spin-orbit drejningsmoment bruges til at drive Néel vektor n til at krydse barrieren fra n₊ til n_- men kan ikke krydse den modsatte (figur 1a). Som vist i figur 1b viser simuleringen af ​​atomspinmodel, at n deterministisk kan skiftes til tilstand n₊ eller n_- på 0,1 ns. Ved at integrere de ikke-nul Berry-krumninger på spin-splittende bånd af tæt-bindende model, viser de unormale Hall-ledningsevner høj følsomhed over for disse to tilstande n₊ og n_- , vist i figur 1c.

I eksperimenter ledet af prof. Pan Feng og prof. Song Cheng, fra School of Materials Science and Engineering ved Tsinghua University, er den gode cykliske ydeevne af fremstillet antiferromagnetisk Mn5Si3 tynd film vist i figur 1d, hvilket betyder den strømdrevne 180° skift af Néel-vektor er robust og bæredygtig.

Faktisk havde holdet præsenteret en ny teori som C-parret spin-dal-låsning (SVL) for et par år siden i Nature Communications , hvilket indikerer en ny måde at inducere magnetiseringen i antiferromagnet og lægger grundlaget for omskiftning af Néel Vector.

Sammenlignet med konventionelle T-parrede SVL-materialer skaber de C-parrede SVL-materialer de spin-splittende bånd ved den stærke udvekslingskobling mellem omrejsende elektroner og lokale magnetiske momenter i stedet for SOC.

Ydermere er spin-spaltningsdalene parret med modsatte spin-retninger af bevaret krystalsymmetri frem for tidsvendende symmetri, som vist i figur 2. I praksis kan der udøves en belastnings-/ladestrøm for at bryde lidt eller påvirke krystalsymmetrien og inducerer derfor en nettomagnetisering/ikke-kollineær spinstrøm.

Baseret på den teoretiske og eksperimentelle undersøgelse af elektrisk 180° kobling og udlæsning af Néel-vektoren i Mn₅ Si₃ , elektrisk kontrollerbare AFM-hukommelsesenheder fås med høj effektivitet og høj reproducerbarhed. Dette grundlæggende arbejde opnåede informationstransformationen mellem ladnings- og spin-frihedsgrader i antiferromagnet, hvilket banede vejen for den hurtige udvikling af spintronics i elektronikindustrien.

Med dets potentielle anvendelse som en lagerenhed, såsom i en computerharddisk, præsenterer materialet bemærkelsesværdige fordele, herunder forbedrede læse- og skrivehastigheder, samt øget lagertæthed.

I fremtiden håber Prof. Liu, at teamet vil udforske flere koblingsmekanismer og den underliggende fysik og forsøge at søge efter mere egnede materialeplatforme med højere effektivitet.

Flere oplysninger: Lei Han et al., Elektrisk 180° omskiftning af Néel-vektor i spin-splittende antiferromagnet, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adn0479

Journaloplysninger: Nature Communications , Videnskabelige fremskridt

Leveret af Hong Kong University of Science and Technology