Pesquisadores desenvolvem mecanismo de comutação elétrica de 180° do vetor Néel em antiferromagneto de divisão de spin
Figura 1 (a) Esboço do mapa das barreiras de energia simétricas (linha preta) e assimétricas (linha vermelha) para comutação do vetor Néel n . Crédito:HKUST Uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong (HKUST) e pela Universidade de Tsinghua propôs teoricamente um novo mecanismo de comutação elétrica de 180° do vetor Néel e o realizou experimentalmente em materiais antiferromagnéticos com estrutura de banda de divisão de spin apresentando o C- travamento spin-valley emparelhado, também conhecido como alterímã. A equipe também demonstrou a capacidade do material de manipular o vetor Néel, abrindo caminho para a fabricação de dispositivos de memória ultrarrápidos.
O estudo foi publicado em Science Advances .
A spintrônica antiferromagnética despertou amplo interesse devido ao seu enorme potencial para a criação de memória antiferromagnética ultradensa e ultrarrápida, adequada para modernas tecnologias de informação de alto desempenho.
A comutação elétrica de 180° do vetor Néel é um objetivo de longo prazo para produzir memória antiferromagnética eletricamente controlável usando vetores Néel opostos como binários "0" e "1". No entanto, os mecanismos de comutação antiferromagnéticos de última geração têm sido limitados há muito tempo à comutação de 90° ou 120° do vetor Néel, o que inevitavelmente requer múltiplos canais de escrita que contradizem a integração ultradensa.
O estudo da comutação elétrica de 180° do vetor Néel torna o antiferromagneto de divisão de spin um novo candidato potencial para memória ultrarrápida.
Especificamente, no antiferromagneto colinear, o vetor Néel n tem dois estados estáveis:n+ e n- com barreiras de energia simétricas. Para deixar uma assimetria nas barreiras de energia, a equipe liderada pelo Prof. Liu Junwei, Professor Associado do Departamento de Física da HKUST propôs exercer um campo magnético externo para interagir com o minúsculo momento induzido pelo DMI.
Então, o torque spin-órbita semelhante ao amortecimento pode ser usado para fazer com que o vetor Néel n cruze a barreira de n+ para n- mas não consegue cruzar o oposto (Figura 1a). Conforme mostrado na Figura 1b, a simulação do modelo de spin atômico mostra que n pode ser comutado deterministicamente para o estado n+ ou n- em 0,1ns. Integrando as curvaturas de Berry diferentes de zero nas bandas de divisão de spin do modelo de ligação forte, as condutividades Hall anômalas mostram alta sensibilidade a esses dois estados n+ e n- , mostrado na Figura 1c.
. Figura 1 (b) Simulação de spin atômico do vetor Néel n no antiferromagneto Mn5 Si3 . Crédito:HKUST
Figura 1 (c) Condutividades Hall anômalas de diferentes configurações antiferromagnéticas calculadas pelo método de ligação forte. Crédito:HKUST
Em experimentos liderados pelo Prof. Pan Feng e pelo Prof. Song Cheng, da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de Tsinghua, o bom desempenho cíclico do filme fino antiferromagnético Mn5Si3 fabricado é mostrado na Figura 1d, o que significa que o 180° acionado por corrente a mudança do vetor Néel é robusta e sustentável.
Na verdade, a equipe apresentou uma nova teoria como bloqueio de spin-valley em pares C (SVL) há alguns anos na Nature Communications. , indicando uma nova maneira de induzir a magnetização no antiferromagneto e estabelecendo as bases para a comutação do vetor Néel.
Em comparação com os materiais SVL emparelhados em T convencionais, os materiais SVL emparelhados em C criam as bandas de divisão de spin pelo forte acoplamento de troca entre elétrons itinerantes e momentos magnéticos locais em vez de SOC.
. Figura 1 (d) Bom desempenho cíclico do antiferromagnético Mn5 Si3 dispositivo. Crédito:HKUST
. Figura 2. Bandas de energia de divisão de spin de (a) SVL pareado com T e (b) SVL pareado com C. Crédito:HKUST
Além disso, os vales de divisão de spin são emparelhados com direções de spin opostas por simetria de cristal preservada em vez de simetria de reversão de tempo, como mostrado na Figura 2. Na prática, uma corrente de deformação/carga pode ser exercida para quebrar levemente ou afetar a simetria do cristal e portanto, induz uma magnetização líquida / corrente de spin não colinear.
Baseado no estudo teórico e experimental de comutação elétrica de 180° e leitura do vetor Néel em Mn5 Si3 , dispositivos de memória AFM controláveis eletricamente estão disponíveis com alta eficiência e alta reprodutibilidade. Este trabalho básico alcançou a transformação da informação entre os graus de liberdade de carga e spin no antiferromagneto, abrindo caminho para o rápido desenvolvimento da spintrônica na indústria eletrônica.
Com sua aplicação potencial como dispositivo de armazenamento, como em um disco rígido de computador, o material apresenta benefícios notáveis, incluindo velocidades aprimoradas de leitura e gravação, bem como maior densidade de armazenamento.
No futuro, o Prof. Liu espera que a equipe explore mais mecanismos de comutação e a física subjacente, e tente procurar plataformas de materiais mais adequadas com maior eficiência.
