【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所功能材料物理與器件研究部自旋材料物理團隊邵定夫研究員等在反鐵磁隧道結(jié)理論研究中取得系列進展，撰寫了反鐵磁隧道結(jié)的綜述文章，設(shè)計了兼具反鐵磁金屬電極和鐵磁金屬電極的磁性隧道結(jié)，提出在該隧道結(jié)中實現(xiàn)隧道磁阻的兩種策略。相關(guān)成果發(fā)表在npj Spintronics和Physical Review B上。
 

　　反鐵磁材料由于沒有凈磁矩和雜散磁場，具有超快的磁動力學(xué)響應(yīng)，滿足后摩爾時代電子器件小型化、高密度、低能耗、高穩(wěn)定性、高速讀寫的需求?；诹孔铀泶┬?yīng)的反鐵磁隧道結(jié)是實現(xiàn)反鐵磁自旋電子學(xué)的理想器件方案(圖1)，但傳統(tǒng)的反鐵磁材料沒有自旋極化，因此如何實現(xiàn)隧道結(jié)中信息讀取所需的隧道磁阻一直是反鐵磁自旋電子學(xué)研究中急需解決的難題。
 

　　邵定夫研究員團隊一直在自旋材料物理領(lǐng)域從事理論研究，在國際上較早地提出了基于動量空間自旋極化(Nat. Commun. 12, 7061 (2021))和基于奈爾自旋流(Phys. Rev. Lett. 130, 216702 (2023))的兩種反鐵磁隧道磁阻機制。最近，該團隊在前期研究基礎(chǔ)上，選取(110)取向的非常規(guī)反鐵磁金屬RuO2作為隧道結(jié)的電極材料，進行了相關(guān)理論研究。結(jié)果表明，在RuO2 /TiO2 /RuO2 (110)反鐵磁隧道結(jié)中有望實現(xiàn)巨大的隧道磁阻效應(yīng)(如圖2(A)所示)。這一結(jié)果不能用RuO2 (110)的全局自旋極化來解釋，但可以通過RuO2 (110)電極中動量空間的自旋極化來進行理解。此外，研究發(fā)現(xiàn)，通過改變勢壘層厚度，還可以誘導(dǎo)出有趣的隧道磁阻震蕩行為。相關(guān)工作發(fā)表于Phys. Rev. B 108, 174439 (2023)，固體所博士研究生蔣媛媛同學(xué)為論文第一作者，邵定夫研究員和內(nèi)布拉斯加大學(xué)Evgeny Y. Tsymbal教授為論文通訊作者。
 

　　傳統(tǒng)的鐵磁隧道結(jié)通常需要額外的反鐵磁釘扎層，增加了電子器件的尺寸和復(fù)雜程度。針對這一問題，研究團隊與內(nèi)布拉斯加大學(xué)Evgeny Y. Tsymbal教授合作，設(shè)計了兼具一個反鐵磁金屬電極和一個鐵磁金屬電極的磁性隧道結(jié)，可消除對釘扎層的依賴，大大降低了器件的復(fù)雜度。團隊提出了在該隧道結(jié)中實現(xiàn)隧道磁阻的兩種策略。第一種策略基于鐵磁電極和非常規(guī)反鐵磁電極中電子結(jié)構(gòu)的自旋劈裂特性，通過匹配動量空間的自旋極化來實現(xiàn)隧道磁阻。選取(110)取向的鐵磁半金屬CrO2 和RuO2(110)進行搭配，團隊在RuO2/TiO2/CrO2 (110)預(yù)言了巨大的隧道磁阻效應(yīng)(如圖2(B)所示)，驗證了這種策略。第二種策略則基于團隊此前提出的奈爾自旋流機制(Phys. Rev. Lett. 130, 216702 (2023))。在反鐵磁電極的高對稱方向，兩個不同子晶格內(nèi)部存在極化相反的兩支奈爾自旋流。當它們分別隧穿通過勢壘到達鐵磁電極時，各自產(chǎn)生的隧道磁阻效應(yīng)通常會互相抵消。然而，通過設(shè)計隧道結(jié)的勢壘和界面結(jié)構(gòu)，可以使兩支奈爾自旋流發(fā)生隧穿時經(jīng)過的有效勢壘寬度產(chǎn)生區(qū)別，從而能夠有選擇性地削弱其中一支奈爾自旋流，引發(fā)顯著的隧道磁阻效應(yīng)。對RuO2/TiO2/[TiO2/CrO2]n/CrO2  (001)隧道結(jié)的計算也證實了該策略(圖3)。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Phys. Rev. B 109, 174407 (2024)，內(nèi)布拉斯加大學(xué)Kartik Samanta博士和固體所博士研究生蔣媛媛同學(xué)為論文共同第一作者，邵定夫研究員和內(nèi)布拉斯加大學(xué)Evgeny Y. Tsymbal教授為論文通訊作者。
 

　　由于該團隊在反鐵磁隧道結(jié)領(lǐng)域所作的開創(chuàng)性工作，近期邵定夫研究員應(yīng)自旋電子學(xué)專業(yè)期刊npj Spintronics的邀請，撰寫了反鐵磁隧道結(jié)的綜述文章《Antiferromagnetic tunnel junctions for spintronics》 (npj Spintronics 2, 13 (2024)), 詳細介紹了反鐵磁隧道結(jié)中隧道磁阻、自旋力矩等關(guān)鍵效應(yīng)的物理機制和研究現(xiàn)狀，并對該領(lǐng)域的機遇和挑戰(zhàn)進行了展望。
 

　　相關(guān)工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院低功耗量子材料建制化科研平臺、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持青年團隊項目的支持。
 

圖1. 鐵磁隧道結(jié)(a)和反鐵磁隧道結(jié)(b)。
 

　　圖2. (A) RuO2/TiO2/RuO2 (110) 反鐵磁隧道結(jié); (B) RuO2/TiO2/CrO2 (110) 磁性隧道結(jié)。
 

圖3. RuO2/TiO2/[CrO2/TiO2]∞ (001) 磁性隧道結(jié)。