科學(xué)島團(tuán)隊(duì)在反鐵磁隧道結(jié)理論研究中取得系列進(jìn)展

近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所功能材料物理與器件研究部自旋材料物理團(tuán)隊(duì)邵定夫研究員等在反鐵磁隧道結(jié)理論研究中取得系列進(jìn)展，撰寫了反鐵磁隧道結(jié)的綜述文章，設(shè)計(jì)了兼具反鐵磁金屬電極和鐵磁金屬電極的磁性隧道結(jié)，提出在該隧道結(jié)中實(shí)現(xiàn)隧道磁阻的兩種策略。相關(guān)成果發(fā)表在npj Spintronics和Physical Review B上。

反鐵磁材料由于沒有凈磁矩和雜散磁場，具有超快的磁動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，滿足后摩爾時(shí)代電子器件小型化、高密度、低能耗、高穩(wěn)定性、高速讀寫的需求?；诹孔铀泶┬?yīng)的反鐵磁隧道結(jié)是實(shí)現(xiàn)反鐵磁自旋電子學(xué)的理想器件方案（圖1），但傳統(tǒng)的反鐵磁材料沒有自旋極化，因此如何實(shí)現(xiàn)隧道結(jié)中信息讀取所需的隧道磁阻一直是反鐵磁自旋電子學(xué)研究中急需解決的難題。

邵定夫研究員團(tuán)隊(duì)一直在自旋材料物理領(lǐng)域從事理論研究，在國際上較早地提出了基于動(dòng)量空間自旋極化(Nat. Commun. 12, 7061 (2021))和基于奈爾自旋流(Phys. Rev. Lett. 130, 216702 (2023))的兩種反鐵磁隧道磁阻機(jī)制。最近，該團(tuán)隊(duì)在前期研究基礎(chǔ)上，選取(110)取向的非常規(guī)反鐵磁金屬RuO2作為隧道結(jié)的電極材料，進(jìn)行了相關(guān)理論研究。結(jié)果表明，在RuO2 /TiO2 /RuO2 (110)反鐵磁隧道結(jié)中有望實(shí)現(xiàn)巨大的隧道磁阻效應(yīng)（如圖2(A)所示）。這一結(jié)果不能用RuO2 (110)的全局自旋極化來解釋，但可以通過RuO2 (110)電極中動(dòng)量空間的自旋極化來進(jìn)行理解。此外，研究發(fā)現(xiàn)，通過改變勢(shì)壘層厚度，還可以誘導(dǎo)出有趣的隧道磁阻震蕩行為。相關(guān)工作發(fā)表于Phys. Rev. B 108, 174439 (2023)，固體所博士研究生蔣媛媛同學(xué)為論文第一作者，邵定夫研究員和內(nèi)布拉斯加大學(xué)Evgeny Y. Tsymbal教授為論文通訊作者。

傳統(tǒng)的鐵磁隧道結(jié)通常需要額外的反鐵磁釘扎層，增加了電子器件的尺寸和復(fù)雜程度。針對(duì)這一問題，研究團(tuán)隊(duì)與內(nèi)布拉斯加大學(xué)Evgeny Y. Tsymbal教授合作，設(shè)計(jì)了兼具一個(gè)反鐵磁金屬電極和一個(gè)鐵磁金屬電極的磁性隧道結(jié)，可消除對(duì)釘扎層的依賴，大大降低了器件的復(fù)雜度。團(tuán)隊(duì)提出了在該隧道結(jié)中實(shí)現(xiàn)隧道磁阻的兩種策略。第一種策略基于鐵磁電極和非常規(guī)反鐵磁電極中電子結(jié)構(gòu)的自旋劈裂特性，通過匹配動(dòng)量空間的自旋極化來實(shí)現(xiàn)隧道磁阻。選取(110)取向的鐵磁半金屬CrO2和RuO2(110)進(jìn)行搭配，團(tuán)隊(duì)在RuO2/TiO2/CrO2 (110)預(yù)言了巨大的隧道磁阻效應(yīng)（如圖2(B)所示），驗(yàn)證了這種策略。第二種策略則基于團(tuán)隊(duì)此前提出的奈爾自旋流機(jī)制(Phys. Rev. Lett. 130, 216702 (2023))。在反鐵磁電極的高對(duì)稱方向，兩個(gè)不同子晶格內(nèi)部存在極化相反的兩支奈爾自旋流。當(dāng)它們分別隧穿通過勢(shì)壘到達(dá)鐵磁電極時(shí)，各自產(chǎn)生的隧道磁阻效應(yīng)通常會(huì)互相抵消。然而，通過設(shè)計(jì)隧道結(jié)的勢(shì)壘和界面結(jié)構(gòu)，可以使兩支奈爾自旋流發(fā)生隧穿時(shí)經(jīng)過的有效勢(shì)壘寬度產(chǎn)生區(qū)別，從而能夠有選擇性地削弱其中一支奈爾自旋流，引發(fā)顯著的隧道磁阻效應(yīng)。對(duì)RuO2/TiO2/[TiO2/CrO2]n/CrO2 (001)隧道結(jié)的計(jì)算也證實(shí)了該策略(圖3)。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Phys. Rev. B 上，內(nèi)布拉斯加大學(xué)Kartik Samanta博士和固體所博士研究生蔣媛媛同學(xué)為論文共同第一作者，邵定夫研究員和內(nèi)布拉斯加大學(xué)Evgeny Y. Tsymbal教授為論文通訊作者。

由于該團(tuán)隊(duì)在反鐵磁隧道結(jié)領(lǐng)域所作的開創(chuàng)性工作，近期邵定夫研究員應(yīng)自旋電子學(xué)專業(yè)期刊npj Spintronics的邀請(qǐng)，撰寫了反鐵磁隧道結(jié)的綜述文章, 詳細(xì)介紹了反鐵磁隧道結(jié)中隧道磁阻、自旋力矩等關(guān)鍵效應(yīng)的物理機(jī)制和研究現(xiàn)狀，并對(duì)該領(lǐng)域的機(jī)遇和挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。

圖1. 鐵磁隧道結(jié)(a)和反鐵磁隧道結(jié)(b)。

圖2. (A) RuO2/TiO2/RuO2 (110) 反鐵磁隧道結(jié); (B) RuO2/TiO2/CrO2 (110) 磁性隧道結(jié)。

圖3. RuO2/TiO2/[CrO2/TiO2]∞ (001) 磁性隧道結(jié)。