自旋量子材料与器件团队实现磁相变辅助的超低功耗反铁磁序操控

2022-03-29
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自旋电子材料和器件在信息存储领域具有重大的应用前景。磁性硬盘技术是当前大数据信息存储的主流方式,磁性随机存储器(MRAM)是下一代主流动态随机存储技术的有力竞争者。如何实现更高密度、更低功耗和更快速度的未来自旋存储方案,是下一代信息技术的关键科学和技术问题。反铁磁材料和器件,一方面其零杂散磁场的特点,使得磁信息存储单元之间没有相互干扰,存储密度可以做的更高;另一方面由于其高频的反铁磁共振模式(THz),从而可以大幅度提高存储器件的操作速度(ps)。但是,由于反铁磁序对外加磁场和电流不敏感,如何实现有效的低功耗电学操控反铁磁序,是制约反铁磁自旋电子学发展的重要难题。

最近,松山湖材料实验室自旋量子材料与器件团队吴昊特聘研究员与加州大学洛杉矶分校、中科院宁波材料所、加州大学河滨分校、中科院物理所、德国马普所、和台湾清华大学等单位合作,国际上率先提出和实验验证了在具有反铁磁-铁磁相变的室温反铁磁FeRh材料体系中,通过电流脉冲焦耳热产生的瞬时铁磁中间态的辅助,将反铁磁序的写入电流密度降低了1-2个数量级,实现了10A/cm2量级的超低写入电流密度,为未来开发低功耗和高速度的新型反铁磁存储器奠定了科学基础。

图1. 磁相变辅助的反铁磁序写入方式示意图与FeRh/Ta异质结构的基本性能表征

吴昊等人通过超高真空磁控溅射的方法制备了FeRh/Ta异质结构,利用电流脉冲产生的瞬态焦耳热,实现反铁磁-铁磁相变产生的瞬时铁磁中间态,结合自旋轨道力矩效应,实现有效的电流操控的90°反铁磁序翻转,该机制通过平面霍尔效应和X射线磁线性二色谱(XMLD)等手段得到验证。结合微磁学模拟证明,在反铁磁序中引入少量的铁磁序分量,可以打破反铁磁序的空间反演对称性,从而会对自旋轨道力矩更加敏感,产生高效的电学操控反铁磁序,大幅度降低其临界翻转电流密度。

图2. 反铁磁-铁磁相变辅助的电流操控反铁磁序

图3. 磁相变辅助的电流翻转磁有序相图(a为两个磁晶格反铁磁耦合,b为铁磁耦合)

该工作第一作者和通讯作者为松山湖材料实验室吴昊特聘研究员,以“Current-induced Néel order switching facilitated by magnetic phase transition”为题,发表在Nature Communications杂志。审稿人高度评价了该研究成果,认为“这一工作提出了新奇的通过电学调控反铁磁序的新手段,将会对反铁磁自旋电子学领域产生实质性的推动”。

该工作得到了松山湖材料实验室启动经费的项目支持(Y1D1071S511)。

 

原文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-022-29170-2

文章附件:Nat. Commun.-s41467-022-29170-2

 

 

撰稿:自旋量子材料与器件团队