固体所在反铁磁隧道结理论研究中取得系列进展

近期，中国科学院合肥物质院固体所功能材料物理与器件研究部自旋材料物理团队邵定夫研究员等在反铁磁隧道结理论研究中取得系列进展，撰写了反铁磁隧道结的综述文章，设计了兼具反铁磁金属电极和铁磁金属电极的磁性隧道结，提出在该隧道结中实现隧道磁阻的两种策略。相关成果发表在npj Spintronics和Physical Review B上。      反铁磁材料由于没有净磁矩和杂散磁场，具有超快的磁动力学响应，满足后摩尔时代电子器件小型化、高密度、低能耗、高稳定性、高速读写的需求。基于量子隧穿效应的反铁磁隧道结是实现反铁磁自旋电子学的理想器件方案（图1），但传统的反铁磁材料没有自旋极化，因此如何实现隧道结中信息读取所需的隧道磁阻一直是反铁磁自旋电子学研究中急需解决的难题。      邵定夫研究员团队一直在自旋材料物理领域从事理论研究，在国际上较早地提出了基于动量空间自旋极化(Nat. Commun. 12, 7061 (2021))和基于奈尔自旋流(Phys. Rev. Lett. 130, 216702 (2023))的两种反铁磁隧道磁阻机制。最近，该团队在前期研究基础上，选取(110)取向的非常规反铁磁金属RuO2作为隧道结的电极材料，进行了相关理论研究。结果表明，在RuO2 /TiO2 /RuO2 (110)反铁磁隧道结中有望实现巨大的隧道磁阻效应（如图2(A)所示）。这一结果不能用RuO2 (110)的全局自旋极化来解释，但可以通过RuO2 (110)电极中动量空间的自旋极化来进行理解。此外，研究发现，通过改变势垒层厚度，还可以诱导出有趣的隧道磁阻震荡行为。相关工作发表于Phys. Rev. B 108, 174439 (2023)，固体所博士研究生蒋媛媛同学为论文第一作者，邵定夫研究员和内布拉斯加大学Evgeny Y. Tsymbal教授为论文通讯作者。

传统的铁磁隧道结通常需要额外的反铁磁钉扎层，增加了电子器件的尺寸和复杂程度。针对这一问题，研究团队与内布拉斯加大学Evgeny Y. Tsymbal教授合作，设计了兼具一个反铁磁金属电极和一个铁磁金属电极的磁性隧道结，可消除对钉扎层的依赖，大大降低了器件的复杂度。团队提出了在该隧道结中实现隧道磁阻的两种策略。第一种策略基于铁磁电极和非常规反铁磁电极中电子结构的自旋劈裂特性，通过匹配动量空间的自旋极化来实现隧道磁阻。选取(110)取向的铁磁半金属CrO2 和RuO2(110)进行搭配，团队在RuO2/TiO2/CrO2 (110)预言了巨大的隧道磁阻效应（如图2(B)所示），验证了这种策略。第二种策略则基于团队此前提出的奈尔自旋流机制(Phys. Rev. Lett. 130, 216702 (2023))。在反铁磁电极的高对称方向，两个不同子晶格内部存在极化相反的两支奈尔自旋流。当它们分别隧穿通过势垒到达铁磁电极时，各自产生的隧道磁阻效应通常会互相抵消。然而，通过设计隧道结的势垒和界面结构，可以使两支奈尔自旋流发生隧穿时经过的有效势垒宽度产生区别，从而能够有选择性地削弱其中一支奈尔自旋流，引发显著的隧道磁阻效应。对RuO2/TiO2/[TiO2/CrO2]n/CrO2  (001)隧道结的计算也证实了该策略(图3)。相关结果发表在Phys. Rev. B 109, 174407 (2024)，内布拉斯加大学Kartik Samanta博士和固体所博士研究生蒋媛媛同学为论文共同第一作者，邵定夫研究员和内布拉斯加大学Evgeny Y. Tsymbal教授为论文通讯作者。

由于该团队在反铁磁隧道结领域所作的开创性工作，近期邵定夫研究员应自旋电子学专业期刊npj Spintronics的邀请，撰写了反铁磁隧道结的综述文章《Antiferromagnetic tunnel junctions for spintronics》 (npj Spintronics 2, 13 (2024)), 详细介绍了反铁磁隧道结中隧道磁阻、自旋力矩等关键效应的物理机制和研究现状，并对该领域的机遇和挑战进行了展望。

相关工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院低功耗量子材料建制化科研平台、中国科学院稳定支持青年团队项目的支持。

相关论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26915-3

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.216702

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.108.174439

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.174407

https://doi.org/10.1038/s44306-024-00014-7

图1. 铁磁隧道结(a)和反铁磁隧道结(b)。

图2. (A) RuO2/TiO2/RuO2 (110) 反铁磁隧道结; (B) RuO2/TiO2/CrO2 (110) 磁性隧道结。

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