​北京航空航天大学，2023年第一篇Nature！

反铁磁自旋电子学是凝聚态物理和信息技术中一个快速发展的领域，在高密度和超快信息器件中具有潜在的应用前景。然而，这些器件的实际应用，在很大程度上受到室温下小电流输出的限制。

在此，来自中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的曾中明&华中科技大学的张佳&北京航空航天大学的蒋成保和刘知琪等研究者描述了共线反铁磁体MnPt和非共线反铁磁体Mn₃Pt之间的室温交换偏置效应，它们类似于铁磁体–反铁磁体交换偏置系统。

相关论文以题为“Room-temperature magnetoresistance in an all-antiferromagnetic tunnel junction”于2023年01月18日发表在Nature上。

反铁磁体是所有磁性有序材料中数量最多的。它们通常由两个或多个磁子晶格组成，这些磁子晶格的排列方式使净磁化消失。尽管几十年来反铁磁自旋电子学一直被用作磁隧道结(MTJs)中的辅助交换偏置材料，但近年来反铁磁自旋电子学的出现，为将反铁磁自旋电子学用作自旋电子器件中的关键功能材料，开辟了多种可能性。

由于反铁磁交换耦合作用，反铁磁材料天然具有超快太赫兹自旋动力学特性。由于没有杂散磁场，反铁磁自旋电子器件，可以在不使用非磁性间隔的情况下紧密地封装。这些特性使它们成为下一代皮秒响应和高密度信息载体的理想候选。

然而，大多数基于相对论性各向异性磁电阻机制的反铁磁自旋电子器件，在室温下表现出非常小的电信号输出，约为0.1%。这在很大程度上，阻碍了反铁磁体在实际信息设备应用中的应用。

室温下磁阻超过250%的商用MTJs，通常使用铁磁体制造。这些器件的典型结构，包括固定铁磁金属和由非磁性氧化物绝缘体间隔的自由铁磁层。

此外，相邻反铁磁体对一个铁磁层的交换偏置钉住，有助于区分两个铁磁层的磁开关，从而促进了非易失性记忆效应的实际应用。

对于非共线反铁磁金属，伴随的不消失的Berry曲率导致显著的拓扑反常霍尔效应的出现。此外，非共线反铁磁体的倾斜矩较小，约为几mμ_B/Mn，具有较弱的磁性，这与异常霍尔电阻的磁场开关有关。

因此，除了杂散场消失和超快自旋动力学外，非共线反铁磁体还可以表现出许多与铁磁体相似的物理现象。因此，研究者探索了非共线反铁磁体和共线反铁磁体之间交换耦合的可能性，以及建立全反铁磁隧道结(AATJ)的机会，如图1所示。

在此，研究者描述了共线反铁磁体MnPt和非共线反铁磁体Mn₃Pt之间的室温交换偏置效应，它们一起类似于铁磁体-反铁磁体交换偏置系统。研究者利用这种奇异效应建立了具有大的非易失性室温磁电阻值的全反铁磁隧道结，其最大值约为100%。

原子自旋动力学模拟表明，MnPt界面处的无补偿局部自旋产生了交换偏置。第一性原理计算表明，显著的隧穿磁电阻源于动量空间中Mn₃Pt的自旋极化。全反铁磁隧道结器件，具有几乎消失的杂散场和增强到太赫兹水平的自旋动力学，可能对下一代高集成和超快存储器件非常重要。

图1 AATJ的原理图

图2 共线反铁磁体与非共线反铁磁体之间的交换耦合

图3 在室温下操作的AATJ器件

图4 AATJ的TMR理论计算

综上所述，研究者描述了共线和非共线反铁磁体之间的交换偏置效应，理论上发现它是由MnPt中无补偿自旋与Mn₃Pt中自旋之间的界面交换相互作用引起的。

在这种奇异效应的基础上，研究者开发了具有类似于传统铁磁隧道结的大室温非挥发TMR的AATJ器件。TMR效应源于非共线反铁磁体Mn₃Pt费米表面的自旋分裂。

考虑到非共线反铁磁体表现出可忽略不计的杂散场和高达太赫兹的超快自旋动力学，这种类型的AATJs可以促进反铁磁体作为高集成皮秒响应信息器件的核心元件的应用。

此外，本研究通过实验验证了非共线反铁磁体在动量空间中的自旋分裂可以产生较大的TMR，正如理论预测的那样。

蒋成保，男，安徽无为县人，1968年生。教授、博士生导师、北京航空航天大学材料科学与工程学院副院长。1996年于北京科技大学材料系获得博士学位。爱尔兰Trinity College访问学者和英国伯明翰大学高级研究学者。获得2009年度国家杰出青年基金，入选2011年度教育部“长江学者特聘教授”。

一直从事磁致伸缩材料、稀土永磁材料和磁性形状记忆合金研究，作为项目负责人承担过国家自然基金杰出青年基金、国家自然基金重点基金和国家“973”课题等。已发表 SCI收录学术论文90余篇，SCI他引近1000次，获授权国家发明专利20项，做国际会议邀请报告10余次。获北京市教学成果一等奖、教育部自然科学一等奖、国防技术发明一等奖和国家技术发明一等奖各1项。

中国材料研究学会青年委员会常务理事、中国稀土学会理事、中国稀土学会固体新材料专业委员会委员、中国电子学会应用磁性分会委员会委员、《稀有金属》和《稀土》编辑部编委等。

Qin, P., Yan, H., Wang, X. et al. Room-temperature magnetoresistance in an all-antiferromagnetic tunnel junction. Nature 613, 485–489 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05461-y

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05461-y

https://www.buaa.edu.cn/info/1545/1784.htm