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研究背景

自旋电子学是利用电子的自旋自由度进行信息处理和存储的一项技术，广泛应用于数据存储、微波器件和量子计算等领域。铁磁材料在自旋电子学中得到了广泛应用，其主要通过自旋注入驱动磁化进动，应用于自旋扭矩振荡器、二极管等微波器件。然而，铁磁材料在高频应用中面临着磁矩进动角度变窄和信号减弱等问题，这限制了其在高速和高灵敏度微波器件中的应用。与之相比，反铁磁（AFM）材料在自旋电子学中展现出了优异的潜力。反铁磁材料具有无磁化特性，能够在不产生显著信号衰减的情况下实现高频进动，成为下一代高频、自旋电子学器件的重要候选材料。然而，如何有效控制反铁磁有序并实现微波电流调控仍然是一个巨大挑战。

成果简介

为了解决这一问题，东京大学Shoya Sakamoto，Shinji Miwa等研究者在Nature Nanotechnology期刊上发表了题为“Antiferromagnetic spin-torque diode effect in a kagome Weyl semimetal”的最新论文。该团队设计并制备了W/Mn3Sn外延双层结构，成功实现了反铁磁自旋的相干旋转，并利用直流自旋-轨道扭矩实现了这一过程的控制。通过精确调控自旋电流，研究人员实现了微波电流与反铁磁自旋旋转的高效耦合，产生了直流反常霍尔电压。

这一效应被称为反铁磁自旋-扭矩二极管效应，并在10 GHz至30 GHz的频率范围内表现出良好的稳定性，输出电压仅减少10%。此外，数值模拟表明，整流信号来源于微波自旋-轨道扭矩对反铁磁自旋旋转频率的快速调制。这一研究成果展示了反铁磁材料在微波器件中的巨大潜力，为下一代高频、高灵敏度自旋电子学器件的研发提供了新的思路，并可能为多路复用通信和神经形态计算等领域提供技术支持。

研究亮点

1. 本研究首次通过直流自旋-轨道扭矩诱导了W/Mn3Sn外延双层中的反铁磁自旋的相干旋转，展示了微波电流与反铁磁自旋旋转的高效耦合。

2. 实验通过微波自旋-轨道扭矩与反铁磁自旋的耦合，产生了直流反常霍尔电压，并提出了“反铁磁自旋-扭矩二极管效应”这一新概念。实验中，输出电压对频率的依赖性较小，频率在10 GHz到30 GHz之间变化时，输出电压仅减少了10%。这一现象归因于交换相互作用对进动圆锥角的稳定化。

3. 数值模拟进一步揭示，整流信号源自微波自旋-轨道扭矩对易平面反铁磁体中螺旋自旋旋转的快速频率调制，证明了该效应具有较高的可调性和灵敏度。

图文解读

图1: 原子力显微镜自旋力矩二极管效应的概念。

图2: 通过反铁磁体AFM自旋力矩二极管效应的整流霍尔电压。

图3: 整流霍尔电压的频率依赖性。

图4: 基于Landau–Lifshitz–Gilbert ，LLG方程的数值模拟。

结论展望

本文表明在容易面反铁磁材料中，非共线自旋结构能够在直流偏置电流作用下与微波电流有效耦合，产生整流的直流反常霍尔电压。这一发现的关键在于，所生成的二极管电压几乎不受频率影响，这归因于交换稳定化的进动圆锥角度，暗示其潜在的应用可覆盖更广泛的频率范围，与传统铁磁材料相比具有显著优势。

尽管当前阶段微波检测灵敏度和工作频率较低，但通过采用反铁磁材料基的磁隧道结和提高自旋电流密度，可显著改善这些问题，从而推动反铁磁自旋电子学技术在更高频率和更高灵敏度的设备中应用。该研究不仅拓展了自旋电子学的研究视野，还为未来高速信息处理与传感器技术的发展提供了新的思路和理论基础。

文献信息

Sakamoto, S., Nomoto, T., Higo, T. et al. Antiferromagnetic spin-torque diode effect in a kagome Weyl semimetal.

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