電流驅動共線反鐵磁中垂直奈爾矢量翻轉

　　【儀表網 研發快訊】反鐵磁體具有無宏觀凈余磁矩和無雜散磁場的特點，并且其本征共振頻率處于太赫茲(THz)范圍，因而在研發抗外磁場干擾、高穩定性、高密度和高速度的新一代磁隨機存儲器MRAM等自旋電子器件方面具有重要應用前景。反鐵磁材料根據自旋排列方式可以分為共線和非共線兩類。相比于擁有多個磁易軸的非共線反鐵磁體，共線反鐵磁體的奈爾矢量僅有兩個穩定的存儲狀態，類似于鐵磁體的兩個向上和向下的磁矩方向，可以直接編碼二進制信息“0”和“1”。此外，垂直磁化的共線反鐵磁材料具有更高的磁各向異性勢壘，因此擁有更長久和更穩定的存儲能力。共線反鐵磁體中相鄰磁矩間強大的交換相互作用，也為超高速自旋電子器件提供了高頻自旋動力學的特性。因此，利用自旋軌道力矩(Spin-Orbit Torque, SOT)實現共線反鐵磁體奈爾矢量的180°翻轉，是實現全電學信息寫入的反鐵磁存儲器技術的重要物理基礎。
 

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學實驗室M02課題組2023年首次實現了SOT驅動共線反鐵磁絕緣體Cr2O3垂直Néel矢量的180°翻轉。通過測量界面未補償磁矩產生的反常霍爾電阻，可以有效讀取Cr2O3的奈爾矢量方向。該項研究表明利用電流產生的SOT可以高效地驅動奈爾矢量180°翻轉。在270K時臨界翻轉電流密度5.8×106 A/cm2，臨界翻轉電流比其它反鐵磁絕緣體小一個數量級。此外，由于Cr2O3的本征頻率在THz頻段，他們在Cr2O3/Pt異質結器件中實現了超短電流脈沖下(6 ns)的奈爾矢量180°超快翻轉。
 

　　同時還進一步在Y3Fe5O12/Cr2O3/Pt異質結器件中實現了Cr2O3的Néel矢量和YIG垂直磁矩的180°一致翻轉。通過測量該體系的交換偏置效應，實驗表明Y3Fe5O12和Cr2O3界面具有較強的交換耦合作用。當在Pt層施加電流時，電流翻轉Cr2O3垂直奈爾矢量的同時會帶動YIG磁化翻轉。實驗表明由于自旋軌道力矩作用在Cr2O3層，這證實了整個Cr2O3的Néel矢量的180°翻轉，而非僅僅是未補償的界面自旋。
 

　　利用這種通過反鐵磁絕緣體媒介的自旋力矩實現垂直鐵磁絕緣體磁矩翻轉的物理機制，同時結合此前具有中國自主知識產權的新型磁子閥[PRL 120 (2018) 097205]、磁子結[PRB 98 (2018) 134426；Nature Electronics 3 (2020) 304]和磁子晶體管[PRB 93 (2016) 060403；PRL 132 (2024) 076701]等，為新一代磁子信息科學技術的開發和實際應用奠定了核心元件及其磁子器件物理基礎。
 

　　相關研究成果以“Electrical switching of the perpendicular Néel order in a collinear antiferromagnet”為題發表在近期的《Nature Electronics》雜志上。M02組博士生何文卿和張天乙及清華大學的周永健同學為論文共同第一作者，其導師韓秀峰研究員以及萬蔡華副研究員為共同通訊作者，其他合作者參與了器件制備、測試、理論分析和論文寫作。該項工作受到了國家基金委重點基金項目、科技部重點研發項目和中國科學院的資助。
 

　　圖 1. YIG/Cr2O3/Pt異質結中SOT驅動奈爾矢量和垂直磁矩翻轉。(a)YIG/Cr2O3/Pt異質結中反鐵磁介導翻轉示意圖。(b)通過MOKE測量YIG(5)/Cr2O3(7)/Pt(3nm)異質結的磁滯回線。對于Cr2O3(7)/Pt(3nm)異質結，沒有顯示出MOKE磁滯回線信號。(c) 三層膜異質結中反常磁霍爾電阻的Hz依賴關系。(d) YIG(5)/Cr2O3(7)/Pt(3 nm)中電流誘導Rxy翻轉。翻轉極性取決于面內磁場方向。(e)電流脈沖序列。(f)正負電流脈沖之后YIG的MOKE信號變化。在±5mT面內輔助場下YIG磁化向上和向下清晰的變化，并且翻轉極性相反。(f)對于對比樣Cr2O3(7)/Pt(3nm)異質結中，沒有檢測到翻轉信號。