【儀表網 研發快訊】近期，中國科學院合肥物質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理論研究中取得系列進展，撰寫了反鐵磁隧道結的綜述文章，設計了兼具反鐵磁金屬電極和鐵磁金屬電極的磁性隧道結，提出在該隧道結中實現隧道磁阻的兩種策略。相關成果發表在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響應，滿足后摩爾時代電子器件小型化、高密度、低能耗、高穩定性、高速讀寫的需求。基于量子隧穿效應的反鐵磁隧道結是實現反鐵磁自旋電子學的理想器件方案(圖1)，但傳統的反鐵磁材料沒有自旋極化，因此如何實現隧道結中信息讀取所需的隧道磁阻一直是反鐵磁自旋電子學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上，選取(110)取向的非常規反鐵磁金屬RuO2作為隧道結的電極材料，進行了相關理論研究。結果表明，在RuO2 /TiO2 /RuO2 (110)反鐵磁隧道結中有望實現巨大的隧道磁阻效應(如圖2(A)所示)。這一結果不能用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，研究發現，通過改變勢壘層厚度，還可以誘導出有趣的隧道磁阻震蕩行為。相關工作發表于Phys. Rev. B 108, 174439 (2023)，固體所博士研究生蔣媛媛同學為論文第一作者，邵定夫研究員和內布拉斯加大學Evgeny Y. Tsymbal教授為論文通訊作者。
 

　　傳統的鐵磁隧道結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雜程度。針對這一問題，研究團隊與內布拉斯加大學Evgeny Y. Tsymbal教授合作，設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，可消除對釘扎層的依賴，大大降低了器件的復雜度。團隊提出了在該隧道結中實現隧道磁阻的兩種策略。第一種策略基于鐵磁電極和非常規反鐵磁電極中電子結構的自旋劈裂特性，通過匹配動量空間的自旋極化來實現隧道磁阻。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)預言了巨大的隧道磁阻效應(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，各自產生的隧道磁阻效應通常會互相抵消。然而，通過設計隧道結的勢壘和界面結構，可以使兩支奈爾自旋流發生隧穿時經過的有效勢壘寬度產生區別，從而能夠有選擇性地削弱其中一支奈爾自旋流，引發顯著的隧道磁阻效應。對RuO2/TiO2/[TiO2/CrO2]n/CrO2  (001)隧道結的計算也證實了該策略(圖3)。相關結果發表在Phys. Rev. B 109, 174407 (2024)，內布拉斯加大學Kartik Samanta博士和固體所博士研究生蔣媛媛同學為論文共同第一作者，邵定夫研究員和內布拉斯加大學Evgeny Y. Tsymbal教授為論文通訊作者。
 

　　由于該團隊在反鐵磁隧道結領域所作的開創性工作，近期邵定夫研究員應自旋電子學專業期刊npj Spintronics的邀請，撰寫了反鐵磁隧道結的綜述文章《Antiferromagnetic tunnel junctions for spintronics》 (npj Spintronics 2, 13 (2024)), 詳細介紹了反鐵磁隧道結中隧道磁阻、自旋力矩等關鍵效應的物理機制和研究現狀，并對該領域的機遇和挑戰進行了展望。
 

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

圖1. 鐵磁隧道結(a)和反鐵磁隧道結(b)。
 

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

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