Ett forskarlag under ledning av Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) och Tsinghua University har teoretiskt föreslagit en ny mekanism för elektrisk 180°-omkoppling av Néel-vektor och experimentellt realiserat den i antiferromagnetiska material med spinn-delande bandstruktur med C- parad spin-dal låsning, även kallad en altermagnet. Teamet visade också materialets förmåga att manipulera Néel-vektor, vilket banade väg för tillverkning av ultrasnabba minnesenheter.
Studien publiceras i Science Advances .
Antiferromagnetisk spintronik har väckt stort intresse på grund av dess enorma potential för att skapa ultratäta och ultrasnabba antiferromagnetiska minne som är lämpligt för modern högpresterande informationsteknik.
Den elektriska 180°-omkopplingen av Néel-vektorn är ett långsiktigt mål för att producera elektriskt styrbart antiferromagnetiskt minne med användning av motsatta Néel-vektorer som binär "0" och "1". De senaste antiferromagnetiska omkopplingsmekanismerna har dock länge varit begränsade till 90° eller 120° omkoppling av Néel-vektor, vilket oundvikligen kräver flera skrivkanaler som motsäger ultratät integration.
Studiet av elektrisk 180°-omkoppling av Néel-vektor gör spin-delande antiferromagnet till en ny potentiell kandidat för ultrasnabbt minne.
Närmare bestämt, i kolinjär antiferromagnet har Néel-vektorn n två stabila tillstånd:n+ och n- med symmetriska energibarriärer. För att lämna en asymmetri av energibarriärer föreslog teamet ledd av professor Liu Junwei, docent vid institutionen för fysik vid HKUST att utöva ett externt magnetfält för att interagera med det lilla DMI-inducerade ögonblicket.
Sedan kan det dämpningsliknande vridmomentet användas för att driva Néel vektor n att passera barriären från n+ till n- men kan inte korsa den motsatta (Figur 1a). Som visas i figur 1b visar simuleringen av atomspinmodellen att n deterministiskt kan kopplas om till tillståndet n+ eller n- på 0,1 ns. Genom att integrera de icke-noll Berry-kurvaturerna på spinn-delande band av tätt-bindande modell, visar de onormala Hall-konduktiviteterna hög känslighet för dessa två tillstånd n+ och n- visas i figur 1c.
I experiment ledda av prof. Pan Feng och prof. Song Cheng, från School of Materials Science and Engineering vid Tsinghua University, visas den goda cykliska prestandan hos tillverkad antiferromagnetisk Mn5Si3-tunnfilm i figur 1d, vilket betyder den strömdrivna 180° byte av Néel-vektor är robust och hållbar.
Faktum är att teamet presenterade en ny teori som C-parad spin-dal låsning (SVL) för några år sedan i Nature Communications , vilket indikerar ett nytt sätt att inducera magnetisering i antiferromagnet och lägger grunden för omkoppling av Néel Vector.
Jämfört med konventionella T-parade SVL-material skapar de C-parade SVL-materialen spinn-delande band genom den starka utbyteskopplingen mellan ambulerande elektroner och lokala magnetiska moment istället för SOC.
Vidare är de spinnuppdelande dalarna parade med motsatta spinnriktningar genom bevarad kristallsymmetri snarare än tidsreverseringssymmetri, som visas i figur 2. I praktiken kan en påkänning/laddningsström utövas för att något bryta eller påverka kristallsymmetrin och inducera därför en nettomagnetisering/icke-kollinjär spinnström.
Baserat på den teoretiska och experimentella studien av elektrisk 180°-omkoppling och utläsning av Néel-vektorn i Mn5 Si3 , elektriskt styrbara AFM-minnesenheter finns tillgängliga med hög effektivitet och hög reproducerbarhet. Detta grundläggande arbete uppnådde informationstransformationen mellan laddnings- och spinnfrihetsgrader i antiferromagnet, vilket banade väg för den snabba utvecklingen av spintronik inom elektronikindustrin.
Med sin potentiella tillämpning som lagringsenhet, till exempel i en dators hårddisk, erbjuder materialet anmärkningsvärda fördelar, inklusive förbättrade läs- och skrivhastigheter, samt ökad lagringstäthet.
I framtiden hoppas Prof. Liu att teamet kommer att utforska fler växlingsmekanismer och den underliggande fysiken, och försöka söka efter lämpligare materialplattformar med högre effektivitet.
Mer information: Lei Han et al, Elektrisk 180°-omkoppling av Néel-vektor i spin-splittande antiferromagnet, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adn0479
Journalinformation: Nature Communications , Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Hong Kong University of Science and Technology
