今日Nature Nano: 北航材料学院实现可抵抗60特斯拉超强磁场的反铁磁记忆器件

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近年来，反铁磁自旋电子学发展迅速，是磁性材料研究的前沿领域之一。相比目前用来存储数据的硬盘所使用的铁磁材料，利用反铁磁材料进行信息存储有两大潜在优势：能抵抗外磁场干扰（即数据不会有“消磁”的隐患）以及数据写入速度可以提升1000倍以上。    

2019年1月7日，《Nature Nanotechnology》在线发表了北京航空航天大学材料科学与工程学院刘知琪教授课题组的研究成果“A Piezoelectric, Strain-Controlled Antiferromagnetic Memory Insensitive to Magnetic Fields”。该研究采用电场操控的压电应力对反铁磁MnPt的自旋轴和电阻进行了非易失性调控，实现了可抵抗超强磁场并具有超低功耗的反铁磁记忆器件。

反铁磁自旋电子学的核心是如何有效操控反铁磁材料的自旋态。前期的研究主要采用电流产生的自旋-轨道力矩来实现自旋轴的转动，在强磁场下，电流感受到强大的洛伦兹力会产生偏折，从而使得数据擦/写效果大打折扣，因此很难发挥反铁磁材料抵抗磁场的优势。

刘知琪教授课题组前期发表在《Nature Electronics》上的研究使用电场产生的压电应力，实现了对反铁磁材料自旋结构的有效调控 [Nature Electronics 1, 172 (2018)]。基于此项研究，他们将MnPt纳米薄膜生长在铁电单晶材料PMN-PT上，通过外加电场在PMN-PT单晶基片上产生的压电应力，有效地改变了MnPt薄膜中反铁磁自旋轴的取向（图1），由于反铁磁材料的各项异性磁电阻效应，使得MnPt合金的电阻发生了改变，从而产生了不同的电阻态，可用于二进制信息存储中“0”和“1”的编码（图2）。

图1. MnPt薄膜中反铁磁自旋轴在外加电场下的调控示意图

利用这种电场产生的压电应力对数据进行擦/写，数据写入过程中没有电流的参与，即使在外加强磁场如9 或者14 特斯拉（T）下，数据写入和存储不受任何影响（图2）。也就是说，用这种器件制成的硬盘可以在强磁场下正常运行。

图2. 采用电场在基于MnPt的反铁磁记忆器件中写入的高低阻态

在此基础上，刘知琪教授课题组和华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心的朱增伟教授课题组合作，测试了反铁磁材料MnPt在超强脉冲磁场60 T（地球磁场强度的120万倍）下的响应。实验发现由于MnPt合金很强的反铁磁耦合，其电阻态在60 T下几乎不变化（~0.1%）（图3），从而证实了这种记忆器件的数据态即使在60 T超强磁场下也不会产生“消磁”效应，也将反铁磁材料抵抗磁场的优势推向了极致。也就是说,用这种材料做成的硬盘，其中所保存的数据即使在60 T的超强脉冲磁场下也不会消磁。

图3. 基于MnPt的反铁磁记忆器件的电阻态在超强脉冲磁场下的响应

基于压电应力对MnPt薄膜中反铁磁自旋轴的调控,刘知琪教授课题组还制备出了反铁磁隧道结器件,在室温下实现了11.2%的电阻调控（图4），从而克服了之前的反铁磁隧道结很难在室温下工作的不足，并将这种新型器件向高密度集成方向推进了重要的一步。

图4. 电场操控的MnPt反铁磁隧道结

审稿专家评论道：“此项工作的一个重要点就是反铁磁材料的记忆电阻态在超强脉冲磁场下非常稳定”。该项工作得到了华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心的大力支持，该中心的脉冲强磁场实验装置是亚洲目前唯一可提供高达90T磁场强度实验条件的科研平台。 

作者简介

北航材料学院刘知琪教授为本文的通讯作者。北航材料学院研究生闫晗和冯泽鑫为本文的共同第一作者。参与该工作的还有北航材料学院蒋成保教授、Michael Coey教授、王敬民副教授、王慧副教授、华中科技大学朱增伟教授、哈尔滨工业大学(深圳)材料学院陈祖煌教授、美国宾夕法尼亚州立大学刘梓葵教授和商顺利研究员。该工作获得了国家自然科学基金中国-爱尔兰国际合作项目、优秀青年科学基金项目以及北航青年拔尖人才计划的资助。

点击左下角“阅读原文”可直接查看论文原文。

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