反鐵磁體具有無宏觀凈余磁矩和無雜散磁場的特點，并且其本征共振頻率處于太赫茲(THz)范圍，因而在研發(fā)抗外磁場干擾、高穩(wěn)定性、高密度和高速度的新一代磁隨機(jī)存儲器MRAM等自旋電子器件方面具有重要應(yīng)用前景。反鐵磁材料根據(jù)自旋排列方式可以分為共線和非共線兩類。相比于擁有多個磁易軸的非共線反鐵磁體，共線反鐵磁體的奈爾矢量僅有兩個穩(wěn)定的存儲狀態(tài)，類似于鐵磁體的兩個向上和向下的磁矩方向，可以直接編碼二進(jìn)制信息“0”和“1”。此外，垂直磁化的共線反鐵磁材料具有更高的磁各向異性勢壘，因此擁有更長久和更穩(wěn)定的存儲能力。共線反鐵磁體中相鄰磁矩間強(qiáng)大的交換相互作用，也為超高速自旋電子器件提供了高頻自旋動力學(xué)的特性。因此，利用自旋軌道力矩(Spin-Orbit Torque, SOT)實現(xiàn)共線反鐵磁體奈爾矢量的180°翻轉(zhuǎn)，是實現(xiàn)全電學(xué)信息寫入的反鐵磁存儲器技術(shù)的重要物理基礎(chǔ)。
 

　　中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學(xué)實驗室M02課題組2023年首次實現(xiàn)了SOT驅(qū)動共線反鐵磁絕緣體Cr2O3垂直Néel矢量的180°翻轉(zhuǎn)。通過測量界面未補(bǔ)償磁矩產(chǎn)生的反常霍爾電阻，可以有效讀取Cr2O3的奈爾矢量方向。該項研究表明利用電流產(chǎn)生的SOT可以高效地驅(qū)動奈爾矢量180°翻轉(zhuǎn)。在270K時臨界翻轉(zhuǎn)電流密度5.8×106 A/cm2，臨界翻轉(zhuǎn)電流比其它反鐵磁絕緣體小一個數(shù)量級。此外，由于Cr2O3的本征頻率在THz頻段，他們在Cr2O3/Pt異質(zhì)結(jié)器件中實現(xiàn)了超短電流脈沖下(6?ns)的奈爾矢量180°超快翻轉(zhuǎn)。
 

　　同時還進(jìn)一步在Y3Fe5O12/Cr2O3/Pt異質(zhì)結(jié)器件中實現(xiàn)了Cr2O3的Néel矢量和YIG垂直磁矩的180°一致翻轉(zhuǎn)。通過測量該體系的交換偏置效應(yīng)，實驗表明Y3Fe5O12和Cr2O3界面具有較強(qiáng)的交換耦合作用。當(dāng)在Pt層施加電流時，電流翻轉(zhuǎn)Cr2O3垂直奈爾矢量的同時會帶動YIG磁化翻轉(zhuǎn)。實驗表明由于自旋軌道力矩作用在Cr2O3層，這證實了整個Cr2O3的Néel矢量的180°翻轉(zhuǎn)，而非僅僅是未補(bǔ)償?shù)慕缑孀孕?br />  

　　利用這種通過反鐵磁絕緣體媒介的自旋力矩實現(xiàn)垂直鐵磁絕緣體磁矩翻轉(zhuǎn)的物理機(jī)制，同時結(jié)合此前具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的新型磁子閥[PRL 120 (2018) 097205]、磁子結(jié)[PRB 98 (2018) 134426；Nature Electronics 3 (2020) 304]和磁子晶體管[PRB 93 (2016) 060403；PRL 132 (2024) 076701]等，為新一代磁子信息科學(xué)技術(shù)的開發(fā)和實際應(yīng)用奠定了核心元件及其磁子器件物理基礎(chǔ)。
 

　　相關(guān)研究成果以“Electrical switching of the perpendicular Néel order in a collinear antiferromagnet”為題發(fā)表在近期的《Nature Electronics》雜志上。M02組博士生何文卿和張?zhí)煲壹扒迦A大學(xué)的周永健同學(xué)為論文共同第一作者，其導(dǎo)師韓秀峰研究員以及萬蔡華副研究員為共同通訊作者，其他合作者參與了器件制備、測試、理論分析和論文寫作。該項工作受到了國家基金委重點基金項目、科技部重點研發(fā)項目和中國科學(xué)院的資助。
 

　　圖 1. YIG/Cr2O3/Pt異質(zhì)結(jié)中SOT驅(qū)動奈爾矢量和垂直磁矩翻轉(zhuǎn)。(a)YIG/Cr2O3/Pt異質(zhì)結(jié)中反鐵磁介導(dǎo)翻轉(zhuǎn)示意圖。(b)通過MOKE測量YIG(5)/Cr2O3(7)/Pt(3nm)異質(zhì)結(jié)的磁滯回線。對于Cr2O3(7)/Pt(3nm)異質(zhì)結(jié)，沒有顯示出MOKE磁滯回線信號。(c) 三層膜異質(zhì)結(jié)中反常磁霍爾電阻的Hz依賴關(guān)系。(d) YIG(5)/Cr2O3(7)/Pt(3 nm)中電流誘導(dǎo)Rxy翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)極性取決于面內(nèi)磁場方向。(e)電流脈沖序列。(f)正負(fù)電流脈沖之后YIG的MOKE信號變化。在±5mT面內(nèi)輔助場下YIG磁化向上和向下清晰的變化，并且翻轉(zhuǎn)極性相反。(f)對于對比樣Cr2O3(7)/Pt(3nm)異質(zhì)結(jié)中，沒有檢測到翻轉(zhuǎn)信號。