反鐵磁自旋電子學是凝聚態物理和信息技術中一個快速發展的領域，在高密度和超快信息器件中具有潛在的應用前景。然而，這些器件的實際應用，在很大程度上受到室溫下小電流輸出的限制。

在此，來自中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所的曾中明&華中科技大學的張佳&北京航空航天大學的蔣成保和劉知琪等研究者描述了共線反鐵磁體MnPt和非共線反鐵磁體Mn₃Pt之間的室溫交換偏置效應，它們類似于鐵磁體–反鐵磁體交換偏置系統。

相關論文以題為“Room-temperature magnetoresistance in an all-antiferromagnetic tunnel junction”于2023年01月18日發表在Nature上。

反鐵磁體是所有磁性有序材料中數量最多的。它們通常由兩個或多個磁子晶格組成，這些磁子晶格的排列方式使凈磁化消失。盡管幾十年來反鐵磁自旋電子學一直被用作磁隧道結(MTJs)中的輔助交換偏置材料，但近年來反鐵磁自旋電子學的出現，為將反鐵磁自旋電子學用作自旋電子器件中的關鍵功能材料，開辟了多種可能性。

由于反鐵磁交換耦合作用，反鐵磁材料天然具有超快太赫茲自旋動力學特性。由于沒有雜散磁場，反鐵磁自旋電子器件，可以在不使用非磁性間隔的情況下緊密地封裝。這些特性使它們成為下一代皮秒響應和高密度信息載體的理想候選。

然而，大多數基于相對論性各向異性磁電阻機制的反鐵磁自旋電子器件，在室溫下表現出非常小的電信號輸出，約為0.1%。這在很大程度上，阻礙了反鐵磁體在實際信息設備應用中的應用。

室溫下磁阻超過250%的商用MTJs，通常使用鐵磁體制造。這些器件的典型結構，包括固定鐵磁金屬和由非磁性氧化物絕緣體間隔的自由鐵磁層。

此外，相鄰反鐵磁體對一個鐵磁層的交換偏置釘住，有助于區分兩個鐵磁層的磁開關，從而促進了非易失性記憶效應的實際應用。

對于非共線反鐵磁金屬，伴隨的不消失的Berry曲率導致顯著的拓撲反常霍爾效應的出現。此外，非共線反鐵磁體的傾斜矩較小，約為幾mμ_B/Mn，具有較弱的磁性，這與異常霍爾電阻的磁場開關有關。

因此，除了雜散場消失和超快自旋動力學外，非共線反鐵磁體還可以表現出許多與鐵磁體相似的物理現象。因此，研究者探索了非共線反鐵磁體和共線反鐵磁體之間交換耦合的可能性，以及建立全反鐵磁隧道結(AATJ)的機會，如圖1所示。

在此，研究者描述了共線反鐵磁體MnPt和非共線反鐵磁體Mn₃Pt之間的室溫交換偏置效應，它們一起類似于鐵磁體-反鐵磁體交換偏置系統。研究者利用這種奇異效應建立了具有大的非易失性室溫磁電阻值的全反鐵磁隧道結，其最大值約為100%。

原子自旋動力學模擬表明，MnPt界面處的無補償局部自旋產生了交換偏置。第一性原理計算表明，顯著的隧穿磁電阻源于動量空間中Mn₃Pt的自旋極化。全反鐵磁隧道結器件，具有幾乎消失的雜散場和增強到太赫茲水平的自旋動力學，可能對下一代高集成和超快存儲器件非常重要。

圖1. AATJ的原理圖

圖2. 共線反鐵磁體與非共線反鐵磁體之間的交換耦合

圖3. 在室溫下操作的AATJ器件

圖4. AATJ的TMR理論計算

綜上所述，研究者描述了共線和非共線反鐵磁體之間的交換偏置效應，理論上發現它是由MnPt中無補償自旋與Mn₃Pt中自旋之間的界面交換相互作用引起的。

在這種奇異效應的基礎上，研究者開發了具有類似于傳統鐵磁隧道結的大室溫非揮發TMR的AATJ器件。TMR效應源于非共線反鐵磁體Mn₃Pt費米表面的自旋分裂。

考慮到非共線反鐵磁體表現出可忽略不計的雜散場和高達太赫茲的超快自旋動力學，這種類型的AATJs可以促進反鐵磁體作為高集成皮秒響應信息器件的核心元件的應用。

此外，本研究通過實驗驗證了非共線反鐵磁體在動量空間中的自旋分裂可以產生較大的TMR，正如理論預測的那樣。

蔣成保，男，安徽無為縣人，1968年生。教授、博士生導師、北京航空航天大學材料科學與工程學院副院長。1996年于北京科技大學材料系獲得博士學位。愛爾蘭Trinity College訪問學者和英國伯明翰大學高級研究學者。獲得2009年度國家杰出青年基金，入選2011年度教育部“長江學者特聘教授”。

一直從事磁致伸縮材料、稀土永磁材料和磁性形狀記憶合金研究，作為項目負責人承擔過國家自然基金杰出青年基金、國家自然基金重點基金和國家“973”課題等。已發表 SCI收錄學術論文90余篇，SCI他引近1000次，獲授權國家發明專利20項，做國際會議邀請報告10余次。獲北京市教學成果一等獎、教育部自然科學一等獎、國防技術發明一等獎和國家技術發明一等獎各1項。

中國材料研究學會青年委員會常務理事、中國稀土學會理事、中國稀土學會固體新材料專業委員會委員、中國電子學會應用磁性分會委員會委員、《稀有金屬》和《稀土》編輯部編委等。

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

原文鏈接：

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

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