研究背景
随着自旋电子学的发展，反铁磁材料因其在高密度和超快信息设备中的潜力而引起了广泛关注。反铁磁自旋电子学是一种利用反铁磁材料实现信息存储和处理的新兴领域，其核心概念是利用反铁磁材料的独特自旋动力学来构建高性能的自旋电子器件。然而，传统的磁隧道结（MTJ）主要由铁磁材料构成，虽然具有较高的隧道磁阻（TMR）效应，但由于铁磁材料固有的磁滞损耗和磁干扰问题，限制了其在高密度集成中的应用。此外，尽管反铁磁材料具有超快自旋动力学和低磁滞的优点，但普通的共线反铁磁材料无法产生净自旋极化电流，这使得全反铁磁性MTJ的实现成为一项挑战。为了解决上述问题，科学家们致力于开发基于非共线反铁磁材料的MTJ结构，这些结构利用自旋手性效应而非有限磁化来产生隧道磁阻。然而，即使在这些改进的结构中，由于非共线反铁磁材料的小净磁化，仍然存在微弱的磁滞损耗问题。此外，近年来二维磁体的出现为探索新型自旋电子器件提供了新的平台。二维反铁磁体具有层间反铁磁耦合和层内铁磁耦合的独特结构，这使得它们在构建新型的全反铁磁性MTJ方面具有巨大的潜力。为了解决这些问题，马克斯·普朗克微结构物理研究所Yuliang Chen（第一作者），Stuart S. P. Parkin等人合作在“Nature”期刊上发表了题为“Twist-assisted all-antiferromagnetic tunnel junction in the atomic limit”的最新论文。本研究提出了一种通过扭曲二维反铁磁材料CrSBr双层来构建全反铁磁性隧道结的策略。通过扭曲两个CrSBr单层，研究团队在零场下实现了超过700%的非易失性隧道磁阻比率，这一现象源于跨越扭曲单层的累积相干隧穿效应。 此外，研究还发现，与未扭曲的隧道结相比，扭曲隧道结的TMR对温度的依赖性显著减弱，这进一步增强了其在实际应用中的吸引力。本研究表明，通过调整二维反铁磁材料的层间扭曲角度，可以有效解决反铁磁材料在自旋电子器件中应用的磁滞损耗问题，推动非易失性磁信息存储器件的发展至原子薄极限。Stuart Parkin教授是马克斯·普朗克微结构物理研究所所长，马丁路德·哈勒威登堡大学的洪堡教授。此外，Parkin教授是英国皇家工程院院士、德国国家科学院院士、美国艺术与科学院院士、美国国家科学院院士、世界科学院院士和英国皇家学会会士。在2018-2023年均被科睿唯安评为高被引学者，2023年还被授予“Citation Laureate”的称号。
研究亮点
1. 实验首次构建了全反铁磁性隧道结（MTJ），实现了原子级别的结构。通过扭曲两个CrSBr二维反铁磁体（AFM）双层，展示了全反铁磁性MTJ的构建策略。这种结构在零场（ZF）下显示出超过700%的非易失性隧道磁阻（TMR）比率，整个扭曲的堆叠体充当了隧道屏障。 2. 实验通过计算TMR对扭曲角度的依赖性，验证了TMR源于通过各个CrSBr单层的累积相干隧穿。通过电子平行动量依赖的衰减计算了TMR的角度依赖性，并与实验结果（扭曲角度从0°到90°不等）高度一致。此外，实验还发现，扭曲结的TMR对温度的依赖性远低于未扭曲结，这使得扭曲结在实际应用中更具优势。
图文解读
图3：35°扭曲的CrSBr双层/双层MTJ的电输运结果。
总结展望
本文展示了利用扭曲策略构建全反铁磁性隧道结（MTJ）的前景，提供了关于高密度、超快信息存储的科学价值。通过对CrSBr这类二维反铁磁材料进行扭曲，我们实现了在零场下超过700%的非易失性隧道磁阻（TMR）比率，展示了这种结构在原子级别的巨大潜力。本文的研究表明，通过精确控制二维材料的扭曲角度，可以显著提升TMR，并且这种TMR对温度的依赖性较弱，这使得这种新型隧道结在实际应用中更具优势。这一发现不仅拓展了反铁磁自旋电子学的应用范围，还为未来开发原子级别的非易失性磁信息存储器件提供了新的思路。将二维反铁磁体用于磁性存储器件，并通过结构调控实现优异的电性能，显示了原子级别材料在高性能自旋电子器件中的应用潜力，为高密度、超快数据存储技术的发展奠定了基础。 Chen, Y., Samanta, K., Shahed, N.A. et al. Twist-assisted all-antiferromagnetic tunnel junction in the atomic limit. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07818-x
