清华大学Nature Materials：电场调控反铁磁自旋轨道力矩效应

【背景介绍】

电控磁效应是一种利用电场调控材料磁学特性的技术手段，有望显著降低信息存储与处理的功耗；反铁磁材料因其不会产生静磁耦合、内禀频率高（太赫兹频段）和抗外磁场干扰等优势，是进一步提高信息存储密度的潜在有效途径。将二者结合，通过电场调控反铁磁的磁各向异性，成为下一代高密度、低功耗信息存储与处理的研究焦点和重要的发展方向。

【成果介绍】

清华大学功能薄膜材料研究团队经过多年努力，利用高性能铁电基片和具有自旋轨道力矩效应的反铁磁材料Mn₂Au构造铁电/反铁磁异质结，成功实现电场调控反铁磁自旋轨道力矩效应。在电场驱动下，来自铁电基片的铁弹应变（ferroelastic strain）驱动Mn₂Au反铁磁薄膜的单轴磁各向异性在面内翻转90°，使异质结的平面霍尔电阻呈现出不同的电阻状态，具有良好的循环性。借助于所获得的单轴磁各向异性，首次观察到非对称的自旋轨道力矩翻转（spin-orbit torque switching）现象：反铁磁磁矩从难轴翻转到易轴时临界电流密度相对小，表现为单次跳变式的一步翻转，而从易轴翻转到难轴时对应多次跳变式的多畴翻转。基于非对称的自旋轨道力矩翻转信号提出了反铁磁棘轮（antiferromagnetic ratchet）的概念，实现了电场作用下磁矩的翻转信号与反铁磁棘轮行为的可逆调控。

相关结果2019年7月8日在线发表于《自然•材料》，清华大学潘峰教授和宋成副教授为论文通讯作者，清华大学博士生陈贤哲、周效枫和美国加州大学河滨分校的Ran Cheng博士为共同第一作者，华中科技大学的张佳副教授、清华大学赵永刚教授以及于浦教授团队的李好博博士等为共同作者。

【图文解读】

图1 铁弹应变调控反铁磁磁矩的示意图

图2 利用同步辐射磁线二色谱表征电场作用下Mn₂Au反铁磁磁矩的排列方向

图3 非对称的自旋轨道力矩翻转信号及其电场调控

图4 电场调控Mn₂Au反铁磁磁矩的临界翻转电流密度

【小结】

该工作利用电场诱导的铁弹应变翻转了反铁磁的单轴磁各向异性，实现了对反铁磁自旋轨道力矩效应及其临界翻转电流密度的有效调控，发现了自旋轨道力矩作用下反铁磁磁矩在一步翻转与多步翻转之间切换的物理现象。相关结果为构造兼具高密度和低功耗特征的反铁磁存储器提供了科学数据。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41563-019-0424-2

本文由清华大学功能薄膜材料研究团队供稿。

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