Nature：磁性材料，重大突破！

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)使用電荷存儲(chǔ)大部分信息，但這些存儲(chǔ)是不穩(wěn)定的，而小型化組件(例如制造高存儲(chǔ)容量的筆記本電腦)會(huì)增加它們的功耗。使用電子的自旋（固有角動(dòng)量）可以更穩(wěn)定地對(duì)信息進(jìn)行磁性編碼，這種電子形式稱為自旋電子學(xué)。然而，商用自旋電子器件比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)慢，而且對(duì)雜散磁場(chǎng)敏感。使用反鐵磁性的磁性來克服這些問題的嘗試尚未能優(yōu)化這些設(shè)備中二元態(tài)之間的切換。

基于此，日本東京大學(xué)Satoru Nakatsuji等人表明拉伸應(yīng)變可實(shí)現(xiàn)反鐵磁材料中全電轉(zhuǎn)換。作者通過分子束外延制造重金屬/Mn3Sn異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并使用外延面內(nèi)拉伸應(yīng)變引入八極的垂直磁各向異性。通過使用異�；魻栃�應(yīng)展示了在30納米厚的Mn3Sn薄膜中垂直八極極化的 100% 切換。理論表明，在確定性雙向切換過程中，電流引起的自旋積累的極化方向與八極子的極化方向之間的垂直幾何形狀持續(xù)*大化自旋軌道扭矩效率。該工作為反鐵磁自旋電子學(xué)提供了重要的基礎(chǔ)。

本文要點(diǎn)：

1）實(shí)現(xiàn)了反鐵磁材料的全電轉(zhuǎn)換

作者通過對(duì)具有八極子的反鐵磁性Mn3Sn施加拉伸應(yīng)變來實(shí)現(xiàn)完全切換。當(dāng)Mn3Sn 處于應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，其磁化方向發(fā)生很大變化。作者使用分子束外延的技術(shù)生長(zhǎng)Mn3Sn薄膜，并通過在材料的晶格和襯底之間引入輕微的不匹配來施加應(yīng)變。這種應(yīng)變誘導(dǎo)了八極子的兩個(gè)優(yōu)選方向，借助施加在薄膜平面上的外部磁場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)磁性八極子的全電切換。

2）探究切換動(dòng)力學(xué)

作者發(fā)現(xiàn)使用應(yīng)變策略使得反鐵磁材料切換動(dòng)力學(xué)與鐵磁體中不同。應(yīng)變產(chǎn)生了一個(gè)強(qiáng)烈優(yōu)選的磁化方向，這使得磁矩在切換期間保持在該平面中。切換迅速發(fā)生，系統(tǒng)無需經(jīng)過中間狀態(tài)，并且一旦電流關(guān)閉就達(dá)到*終狀態(tài)。而鐵磁體趨向于緩慢弛豫至*終狀態(tài)。此外，本文中切換所需的電流密度與鐵磁體相當(dāng)甚至更小，這表明它可以在低功率下運(yùn)行。

3）未來方向

首先，要完全實(shí)現(xiàn)反鐵磁自旋電子器件要使得切換必須在沒有外部磁場(chǎng)的情況下實(shí)現(xiàn)。其次，要實(shí)現(xiàn)大磁阻，即材料根據(jù)磁化方向改變其電阻大小的趨勢(shì)。增加磁阻可以提高在材料中檢測(cè)到反鐵磁開關(guān)的速度。還要探究材料的開關(guān)速度是否確實(shí)可以達(dá)到亞納秒級(jí)。*后，分子束外延很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，如何實(shí)現(xiàn)不依賴這種技術(shù)的薄膜沉積方法將是使用實(shí)現(xiàn)反鐵磁自旋電子器件商業(yè)化的關(guān)鍵。