Nature：自旋电子学的重大进展

诸平

据奥地利的约翰·开普勒林茨大学(Johannes Kepler University Linz简称JKU)2024年10月4日提供的消息，自旋电子学:重大进展（Spintronics: significant progress）。

一个国际研究小组在原子薄反铁磁隧道结（atomically thin antiferromagnetic tunnel junctions）方面取得了突破。这显示了反铁磁材料（antiferromagnetic materials）在存储技术上的巨大潜力。

自旋电子学(Spintronics / spin electronics)研究电子设备中电子自旋的使用。与仅利用电子电荷的传统电子学不同，自旋电子学还利用电子的自旋，即原子水平上的“旋转方向”来存储和处理信息。一个由德国马克斯·普朗克微结构物理研究所（Max Planck Institute of Microstructure Physics, Halle, Germany）、美国内布拉斯加大学林肯分校（University of Nebraska-Lincoln, Lincoln, NE, USA）和奥地利JKU(理论物理研究所)科学家组成的国际团队，目前在这一研究领域取得了重要进展。

磁隧道结(Magnetic tunnel junctions简称MTJs)是自旋电子存储技术的关键组成部分。它们使所有磁性硬盘驱动器(存储所有数字数据的70%)和非易失性磁性存储器中使用的高灵敏度磁场传感器成为可能，这些存储器提供了比当今基于电荷的存储器更高的性能，可靠性和可扩展性。

经典的MTJ结构由两个铁磁电极包围的非磁性隧道势垒组成。其基本机制是自旋极化电荷电流通过铁磁电极产生的自旋滤波效应。然而，自旋电子MTJs在实际应用中存在两个挑战:相对较慢的运行速度和由于铁磁性材料的特性而产生的杂散场干扰（stray field interference）。另一方面，反铁磁体对各种干扰的抵抗力更强，因此在自旋电子应用方面具有很大的潜力。它们被认为是下一代存储技术的关键，因为它们具有超快和无干扰的特性。

由德国马克斯·普朗克微观结构物理研究所的斯图尔特·帕金（Stuart Parkin）领导的研究小组，现在已经开发出一种革命性的原子薄反铁磁隧道结，这种隧道结是由扭曲的二维(2D)材料制成的，他们的研究2024年8月14日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表。作为研究的一部分，研究人员开发了一种新技术，将二维反铁磁体CrSBr的两个双层扭曲。原文详见：Yuliang Chen, Kartik Samanta, Naafis A. Shahed, Haojie Zhang, Chi Fang, Arthur Ernst, Evgeny Y. Tsymbal, Stuart S. P. Parkin. Twist-assisted all-antiferromagnetic tunnel junction in the atomic limit. Nature, 2024, 632(8027): 1045–1051. DOI: 10.1038/s41586-024-07818-x. Published online 2024 Aug 14. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC11358014/

研究人员发现，这种性能取决于旋转的角度。来自JKU理论物理研究所的亚瑟·恩斯特（Arthur Ernst）是研究小组的一员，他可以解释这种效应:“层之间的磁相互作用是通过溴（bromine，Br）发生的。溴(Br)没有磁性，但对相邻两层铬(chromium, Cr)之间的自旋输运很重要。在旋转过程中，这种相互作用减弱，或在某些情况下加强。这使得操纵这种触点的磁性成为可能。这对未来的自旋电子学应用具有重要意义。”

研究人员研究了不同扭转角度对隧道结性能的影响，发现扭转可以极大地改变磁性能。他们还注意到，与未扭曲的结相比，扭曲结的磁性能对温度的依赖性要低得多，这进一步提高了它们的潜在应用。这一发现不仅可以用于计算机和存储技术，还可以用于新型传感器和其他电子元件的开发。

本研究得到了德国研究基金会(DFG, German Research Foundation)项目及优先计划{Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) – project no. 443406107, Priority Programme (SPP) 2244}的资助。美国内布拉斯加大学林肯分校的研究工作(扭曲CrSBr双层输运性质的理论建模)得到了美国能源部、科学办公室、基础能源科学办公室(Grant number DE-SC0023140 financed by the U.S. Department of Energy, Office of Science, Basic Energy Sciences) 的资助。另外还得到了奥地利科学基金{Fonds zur Förderung der Wissenschaftlichen Forschung (FWF) under grant number I 5384}的资助。

Abstract

Antiferromagnetic spintronics^1,2 shows great potential for high-density and ultrafast information devices. Magnetic tunnel junctions (MTJs), a key spintronic memory component that are typically formed from ferromagnetic materials, have seen rapid developments very recently using antiferromagnetic materials^3,4. Here we demonstrate a twisting strategy for constructing all-antiferromagnetic tunnel junctions down to the atomic limit. By twisting two bilayers of CrSBr, a 2D antiferromagnet (AFM), a more than 700% nonvolatile tunnelling magnetoresistance (TMR) ratio is shown at zero field (ZF) with the entire twisted stack acting as the tunnel barrier. This is determined by twisting two CrSBr monolayers for which the TMR is shown to be derived from accumulative coherent tunnelling across the individual CrSBr monolayers. The dependence of the TMR on the twist angle is calculated from the electron-parallel momentum-dependent decay across the twisted monolayers. This is in excellent agreement with our experiments that consider twist angles that vary from 0° to 90°. Moreover, we also find that the temperature dependence of the TMR is, surprisingly, much weaker for the twisted as compared with the untwisted junctions, making the twisted junctions even more attractive for applications. Our work shows that it is possible to push nonvolatile magnetic information storage to the atomically thin limit.