Fig.1:Ett schematiskt diagram över informationslagring med användning av konventionella ferromagnet (FM)-baserade spintroniska enheter (vänster) och de föreslagna antiferromagneter (AFMs)-baserade enheterna (höger) (pilarna indikerar magnetiska moment). I FM-baserade enheter (vänster), informationsbitar (tillstånd "1" eller "0") är kodade i orienteringen (röd/upp eller blå/ner) för ögonblicken. Den kompenserade strukturen av AFM:er (höger) medför unika fördelar samtidigt som de utgör betydande hinder. Kredit:Samik DuttaGupta och Shunsuke Fukami
Strävan efter intelligenta datorparadigm med hög genomströmning – för big data och artificiell intelligens – och den ständigt ökande volymen digital information har lett till en intensifierad efterfrågan på nästa generations elektroniska enheter med hög hastighet och låg effekt. Den "glömda" världen av antiferromagneter (AFM), en klass av magnetiska material, erbjuder löften i framtida utveckling av elektroniska enheter och kompletterar dagens ferromagnetbaserade spintroniska teknologier (Fig. 1).
Formidabla utmaningar för AFM-baserad utveckling av funktionella spintroniska enheter är höghastighets elektrisk manipulation (inspelning), upptäckt (hämtning), och säkerställa stabiliteten hos den registrerade informationen – allt i ett halvledarindustrivänligt materialsystem.
Forskare vid Tohoku University, University of New South Wales (Australien), ETH Zürich (Schweiz), och Diamond Light Source (Storbritannien) demonstrerade framgångsrikt ströminducerad omkoppling i en polykristallin metallisk antiferromagnetisk heterostruktur med hög termisk stabilitet. De etablerade resultaten visar potential för informationslagring och -bearbetningsteknik.
Forskargruppen använde en Mn-baserad metallisk AFM (PtMn)/tungmetall (HM) heterostruktur - attraktiv på grund av dess betydande antiferromagnetiska anisotropi och dess kompatibilitet med PtMn Silicon-baserad elektronik (Fig. 2(a)). Elektrisk registrering av resistanstillstånd (1 eller 0) erhölls genom spin-omloppsinteraktionen av HM-skiktet; en laddningsström i den intilliggande HM resulterade i vridmoment i spin-omloppsbana som verkar på AFM, vilket leder till en förändring av motståndsnivån ner till en mikrosekundsregim (fig. 2(b)).
Fig.2:(a) Ett schematiskt diagram över den utvecklade stapelstrukturen. (b) De experimentella resultaten av ströminducerad omkoppling av AFM/HM PtMn/Pt-struktur under applicerad ström JPt i Pt-skiktet. Avläsningen av de antiferromagnetiska tillstånden uppnåddes genom att mäta utläsresistansen (RHall). (c) Stabiliteten av registrerade tillstånd (1 eller 0) undersöktes genom att mäta RHall under flera timmar. Det röda och blå skuggade området motsvarar den elektriska registreringen av högresistiva ("1") eller lågresistiva ("0") tillstånd. (d), (e) Magnetisk röntgenavbildning av PtMn/Pt-strukturen efter applicering av strömpulser. Vita och svarta områden på bilden indikerar områden med motsatt magnetisk kontrast, representerar omkastningen av den antiferromagnetiska ordningen. Kredit:Samik DuttaGupta och Shunsuke Fukami
"Intressant, växlingsgraden kan styras av strömstyrkan i HM-lagret och visar långsiktiga datalagringsförmåga, " sa Samik DuttaGupta, motsvarande författare till studien (fig. 2(c)). "De experimentella resultaten från elektriska mätningar kompletterades med en magnetisk röntgenbild, hjälper till att klargöra den reversibla karaktären hos kopplingsdynamik lokaliserad inom nm-stora AFM-domäner." (Fig. 2(d), (e)).
Resultaten är den första demonstrationen av ströminducerad omkoppling av en industrikompatibel AFM ner till mikrosekundsregimen inom området metallisk antiferromagnetisk spintronik. Dessa resultat förväntas initiera nya vägar för forskning och uppmuntra ytterligare undersökningar mot förverkligandet av funktionella enheter som använder metalliska AFM:er för informationslagring och bearbetningsteknik.
