Advanced Materials:非共线反铁磁金属中的巨压电自旋效应

进入信息化时代后,人类社会的信息总量爆炸式增长,全球信息存储量急剧增加,这对信息存储的速度、能耗、稳定性和密度提出了更高的要求。目前的磁存储器件主要是基于铁磁材料,而相对于铁磁材料,反铁磁具有很明显的优势:对外磁场不敏感、器件响应速度快以及集成密度高。因此,反铁磁自旋器件有望应用在磁随机赛道存储器,人工神经网络,THz的逻辑记忆器件和THz源表与探测器上。正是基于反铁磁材料的优点以及巨大的应用潜力,反铁磁自旋电子学已经逐渐成为当前的研究热点。目前,反铁磁自旋电子学器件主要是利用反铁磁中的各向异性磁电阻效应,然而它只有0.1%左右的变化,这对于实际应用来说并不现实。为克服这个困难,提高自旋器件的输出信号是当务之急。

北京航空航天大学刘知琪教授课题组针对这个问题提出,反常霍尔电阻以及反铁磁隧道结可以提供足够应用的自旋信号输出。另外,由于反铁磁自旋对磁场不敏感,研究人员转而利用电场通过在铁电材料中产生压电应力,作用到自旋结构对应力极其敏感的非共线反铁磁材料Mn3Ga上,从而实现了对反铁磁材料的调控。

研究人员利用磁控溅射将非共线反铁磁Mn3Ga薄膜生长在铁电基片0.7PbMg1/3Nb2/3O3-0.3PbTiO3(PMN-PT)上。通过对铁电基片施加电场,基片中会产生压应力,进而作用到反铁磁薄膜上。由于内禀的非零贝利曲率的存在,非共线反铁磁可以表现出反常霍尔效应。作为动量空间的赝磁场,贝利曲率源于布洛赫电子带间的相互作用。因而,反常霍尔效应的变化即可表明非共线反铁磁材料中自旋结构的改变。大小为4 kV cm-1的电场可以对Mn3Ga的反常霍尔电阻产生超过一个数量级的调控,这就表明非共线反铁磁Mn3Ga的自旋结构发生了大的改变并且对压电应力非常敏感。同时,研究人员发现被电场激发过的样品室温下出现了极弱的磁性并且和铁磁材料Co90Fe10的交换耦合效应也增强了,这些现象也都表明压电应力作用后的Mn3Ga的自旋结构确实发生了变化。随后,理论计算表明非共线Mn3Ga中费米能级的态密度对自旋旋转角非常敏感。由于隧道各向异性磁电阻与材料的费米能级处的态密度密切相关,因而研究人员利用电子束光刻制备了纳米级别的基于反铁磁Mn3Ga的隧道结器件。实验结果显示,当施加-4和+4 kV cm-1的电压时,隧道结的电阻变化最大可以达到10.7%。而在0 kV cm-1下,仍有约为9.8%的非易失性电阻变化。利用Mn3Ga,作者成功制备了高效的电场调控的反铁磁隧道结器件。这项工作为利用非共线反铁磁材料进行大的信号读出以及快响应速度、低能耗、高密度的自旋器件的应用提供了新思路和方向。相关成果发表在Advanced Materials (DOI:10.1002/adma.202002300)上,华中科技大学张佳教授和中国科学院苏州纳米所曾中明教授分别在理论计算和隧道结器件制备上提供了帮助。