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研究背景

自旋電子學(xué)是利用電子的自旋自由度進(jìn)行信息處理和存儲的一項(xiàng)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲、微波器件和量子計(jì)算等領(lǐng)域。鐵磁材料在自旋電子學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用，其主要通過自旋注入驅(qū)動磁化進(jìn)動，應(yīng)用于自旋扭矩振蕩器、二極管等微波器件。然而，鐵磁材料在高頻應(yīng)用中面臨著磁矩進(jìn)動角度變窄和信號減弱等問題，這限制了其在高速和高靈敏度微波器件中的應(yīng)用。與之相比，反鐵磁（AFM）材料在自旋電子學(xué)中展現(xiàn)出了優(yōu)異的潛力。反鐵磁材料具有無磁化特性，能夠在不產(chǎn)生顯著信號衰減的情況下實(shí)現(xiàn)高頻進(jìn)動，成為下一代高頻、自旋電子學(xué)器件的重要候選材料。然而，如何有效控制反鐵磁有序并實(shí)現(xiàn)微波電流調(diào)控仍然是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

成果簡介

為了解決這一問題，東京大學(xué)Shoya Sakamoto，Shinji Miwa等研究者在Nature Nanotechnology期刊上發(fā)表了題為“Antiferromagnetic spin-torque diode effect in a kagome Weyl semimetal”的最新論文。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了W/Mn3Sn外延雙層結(jié)構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)了反鐵磁自旋的相干旋轉(zhuǎn)，并利用直流自旋-軌道扭矩實(shí)現(xiàn)了這一過程的控制。通過精確調(diào)控自旋電流，研究人員實(shí)現(xiàn)了微波電流與反鐵磁自旋旋轉(zhuǎn)的高效耦合，產(chǎn)生了直流反常霍爾電壓。

這一效應(yīng)被稱為反鐵磁自旋-扭矩二極管效應(yīng)，并在10 GHz至30 GHz的頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，輸出電壓僅減少10%。此外，數(shù)值模擬表明，整流信號來源于微波自旋-軌道扭矩對反鐵磁自旋旋轉(zhuǎn)頻率的快速調(diào)制。這一研究成果展示了反鐵磁材料在微波器件中的巨大潛力，為下一代高頻、高靈敏度自旋電子學(xué)器件的研發(fā)提供了新的思路，并可能為多路復(fù)用通信和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等領(lǐng)域提供技術(shù)支持。

研究亮點(diǎn)

1. 本研究首次通過直流自旋-軌道扭矩誘導(dǎo)了W/Mn3Sn外延雙層中的反鐵磁自旋的相干旋轉(zhuǎn)，展示了微波電流與反鐵磁自旋旋轉(zhuǎn)的高效耦合。

2. 實(shí)驗(yàn)通過微波自旋-軌道扭矩與反鐵磁自旋的耦合，產(chǎn)生了直流反常霍爾電壓，并提出了“反鐵磁自旋-扭矩二極管效應(yīng)”這一新概念。實(shí)驗(yàn)中，輸出電壓對頻率的依賴性較小，頻率在10 GHz到30 GHz之間變化時(shí)，輸出電壓僅減少了10%。這一現(xiàn)象歸因于交換相互作用對進(jìn)動圓錐角的穩(wěn)定化。

3. 數(shù)值模擬進(jìn)一步揭示，整流信號源自微波自旋-軌道扭矩對易平面反鐵磁體中螺旋自旋旋轉(zhuǎn)的快速頻率調(diào)制，證明了該效應(yīng)具有較高的可調(diào)性和靈敏度。

圖文解讀

圖1: 原子力顯微鏡自旋力矩二極管效應(yīng)的概念。

圖2: 通過反鐵磁體AFM自旋力矩二極管效應(yīng)的整流霍爾電壓。

圖3: 整流霍爾電壓的頻率依賴性。

圖4: 基于Landau–Lifshitz–Gilbert ，LLG方程的數(shù)值模擬。

結(jié)論展望

本文表明在容易面反鐵磁材料中，非共線自旋結(jié)構(gòu)能夠在直流偏置電流作用下與微波電流有效耦合，產(chǎn)生整流的直流反常霍爾電壓。這一發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵在于，所生成的二極管電壓幾乎不受頻率影響，這歸因于交換穩(wěn)定化的進(jìn)動圓錐角度，暗示其潛在的應(yīng)用可覆蓋更廣泛的頻率范圍，與傳統(tǒng)鐵磁材料相比具有顯著優(yōu)勢。

盡管當(dāng)前階段微波檢測靈敏度和工作頻率較低，但通過采用反鐵磁材料基的磁隧道結(jié)和提高自旋電流密度，可顯著改善這些問題，從而推動反鐵磁自旋電子學(xué)技術(shù)在更高頻率和更高靈敏度的設(shè)備中應(yīng)用。該研究不僅拓展了自旋電子學(xué)的研究視野，還為未來高速信息處理與傳感器技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路和理論基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)信息

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

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