3 月 3 日消息，清華大學(xué)今日發(fā)文，宣布清華材料學(xué)院宋成、潘峰團(tuán)隊(duì)在自旋電子學(xué)材料與器件方向取得重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了手性反鐵磁序的高效全電學(xué)完全翻轉(zhuǎn)。

該研究打通了手性反鐵磁從基礎(chǔ)研究走向器件應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為開發(fā)兼具超高密度、超快讀寫和低功耗特性的新一代磁存儲(chǔ)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。相關(guān)成果已于 2 月 25 日發(fā)表在《自然》上。

長期以來，磁存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展面臨兩難困境：鐵磁電學(xué)讀寫便捷，卻因雜散場制約了存儲(chǔ)密度的提升，且吉赫茲動(dòng)力學(xué)頻率為電學(xué)寫入速度設(shè)定了上限；反鐵磁材料雖無雜散場且具備太赫茲動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢，但電學(xué)讀寫困難。

手性反鐵磁材料因其非共線自旋，同時(shí)擁有太赫茲磁動(dòng)力學(xué)、零雜散場和自旋劈裂能帶等特性，被視為突破這一瓶頸的理想體系。然而，如何在零磁場下實(shí)現(xiàn)對(duì)其磁序的高效電學(xué)操控，始終是推動(dòng)其走向應(yīng)用的核心挑戰(zhàn)。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)通過同質(zhì)結(jié)設(shè)計(jì)整合了手性反鐵磁的“非共線自旋指紋”的兩個(gè)核心維度，利用非常規(guī)自旋流誘發(fā)手性反鐵磁序的非常規(guī)磁動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)了全電學(xué)完全翻轉(zhuǎn)。該方案在具備可控的零場翻轉(zhuǎn)極性的同時(shí)，效率也實(shí)現(xiàn)了大幅度躍升。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)從磁八極子視角切入，破解了手性反鐵磁電學(xué)翻轉(zhuǎn)的“效率密碼”：通過對(duì)驅(qū)動(dòng)力和能壘的系統(tǒng)性理論分析，指出自旋極化與磁易面的傾斜幾何構(gòu)型能夠突破長久以來的“超低的能壘和超高效的驅(qū)動(dòng)力無法共存”的限制，是實(shí)現(xiàn)高效全電學(xué)翻轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。該機(jī)制對(duì)其他易面非常規(guī)磁體也具有推廣意義。

實(shí)驗(yàn)中采用分子束外延技術(shù)制備 Mn3Sn 同質(zhì)結(jié)，通過預(yù)磁化控制實(shí)現(xiàn)零場翻轉(zhuǎn)極性反轉(zhuǎn)。測試顯示該翻轉(zhuǎn)方式具備優(yōu)越的抗磁場干擾能力。據(jù)論文數(shù)據(jù)，新構(gòu)型在臨界電流密度、功耗及反常霍爾矯頑力與電流密度比值三項(xiàng)指標(biāo)上均顯著優(yōu)化，其中第三項(xiàng)指標(biāo)較鐵磁材料提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

該成果為開發(fā)兼具高密度、低功耗及超快讀寫特性的新型磁存儲(chǔ)技術(shù)奠定基礎(chǔ)，同時(shí)為太赫茲納米振蕩器等器件研發(fā)提供支撐。研究歷經(jīng)五年時(shí)間，通過優(yōu)化分子束外延工藝克服了材料晶體生長難題。團(tuán)隊(duì)表示正在推進(jìn)相關(guān)器件的應(yīng)用研究。