最新研究表明：反铁磁体有望带来高速稳定的存储器！
导读
近日，德国美因茨大学的物理学家们展示了在反铁磁体中读出和写入数字信息是技术上可行的，未来它有望带来超快速且稳定的磁存储器。
背景
时下，基于自旋的电子学，或称“自旋电子学”（spintronics）正成为一门新兴的前沿学科。前几天，笔者在《二维材料让自旋电子学和纳米光子学结合得更紧密！》一文的背景部分对于自旋电子学作了简单介绍。从中，我们不难发现，电子自旋和磁矩是自旋电子学中两个非常关键的概念。另外，在自旋电子学中，信息通常由铁磁体的磁化方向来定义。
举个例子，笔者曾在《存储技术最新突破：有助于改善类脑计算与存储！》一文中介绍过“磁致电阻”（magnetoresistance）效应，以及美国明尼苏达大学研究的一种涉及磁阻效应的新型拓扑绝缘体。未来，这种拓扑绝缘体将改善计算机计算与存储。在拓扑绝缘体-铁磁体双层中，研究人员首次展示了这种磁致电阻现象的存在。
下图是磁阻效应的示意图。电子自旋在拓扑绝缘体中产生。那些处于铁磁体和拓扑绝缘体接口处的电子自旋与铁磁体产生交互作用，为设备带来高电阻或者低电阻，这一点取决于磁场和自旋的相对方向。
（图片来源： 明尼苏达大学）
自旋电子学的应用包括：硬盘磁头、磁性随机内存、自旋场发射晶体管、自旋发光二极管等等。自旋电子学存储器件相比于传统的存储器件，具有存储密度高、能耗低、响应快等多项优势。
创新
近期，研究人员也对于利用反铁磁体产生了兴趣。为了方便大家理解，先介绍一下反铁磁性。反铁磁性是指：磁矩反平行交错有序排列，但不表现宏观强的净磁矩，表现为一种磁有序状态。与铁磁性一样，其微小磁矩在磁畴内排列整齐，所不同的是，在这些材料中，反平行排列相互对立。
（图片来源：维基百科）
近日，德国美因茨大学的物理学家展示了在反铁磁体中读出和写入数字信息是技术上可行的，它将有望带来超快速且稳定的磁存储器。他们的研究论文线发表于《自然通信》（Nature Communications）杂志。
（图片来源：参考资料【2】）
技术
在这里，信息编码于磁矩调制方向中，也称为“Néel矢量”。原则上讲，反铁磁性物质能够带来更加快速的信息写入，对于外部场的干扰也表现得非常稳定。然而，这些优势也表示，Néel矢量的操作和读出过程非常具有挑战性。迄今为止，科学家们仅通过利用半金属铜锰砷（CuMnAs）实现过，然而这种化合物在应用方面具有一些缺陷。
现在，美因茨大学（JGU）的科学家们演示了Néel矢量电流感应开关，也可以通过由锰和金的化合物Mn2Au组成的金属薄膜实现。Mn2Au在高温条件下具有反铁磁性。特别是，测量到的磁阻比CuMnAs高10倍。
这种令人吃惊的巨大效应可以通过过量金原子的外部散射来解释，正如Libor Šmejkal 的推论所解释的一样。Libor Šmejkal 工作于与捷克科学院合作的组织中，目前正在美因茨大学Jairo Sinova 教授的小组中开展他的博士研究项目。
价值
这项研究的项目领头人 Martin Jourdan 博士解释道：“这些计算对于理解我们小组博士生 Stanislav
Bodnar 开展的实验工作来说非常重要。我们将Mn2Au 作为开启未来反铁磁性自旋电子学的主要候选物。除了这种化合物具有巨大的磁阻以外，其他的重要优点还包括它的无毒成分，以及它可以工作于更高的温度条件下。”
参考资料
【1】http://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/3937_ENG_HTML.php
【2】S. Y. Bodnar et al., Writing and reading antiferromagnetic Mn2Au by Néel spin-orbit torques and large anisotropic magnetoresistance, Nature Communications 9, 24 January 2018, DOI:10.1038/s41467-017-02780-x
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