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张佳副教授课题组在《自然》发表最新研究成果
发布时间:2023-01-19

1月19日,《自然》(Nature)杂志以Article形式在线发表了我校物理学院张佳副教授的最新合作研究成果:“全反铁磁隧道结中的室温磁电阻效应(Room-temperature magnetoresistance in an all-antiferromagnetic tunnel junction)”。张佳副教授为该论文的共同通讯作者,主导该研究的理论计算工作,物理学院研究生董建艇和朱蒙为该论文的共同作者。

磁性随机存储器被认为是下一代存算一体、嵌入式内存的重要备选之一。而“磁性隧道结”(Magnetic tunnel junction-MTJ)是磁性随机存储器等自旋电子学器件的核心结构。相比于传统的铁磁材料构成的磁性隧道结,反铁磁材料因具有近乎为零的杂散磁场、高自旋动力学频率等优点,被视为下一代高速、高密度磁性存储的理想候选材料。如何对反铁磁序进行有效的电学调控与检测也是当前“反铁磁自旋电子学”研究的核心内容。该研究成果关于非共线反铁磁隧道结中的隧穿磁电阻效应的理论预言和实验发现,表明了非共线反铁磁在信息存储器件上的应用潜力与前景,将有力推动反铁磁自旋电子学的研究进展。

为了从理论上提高反铁磁序电学检测的开关比这一关键问题,张佳副教授课题组在之前的工作(2022年5月发表于《物理评论快报》,论文链接:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.197201)中分析指出:不同于传统的自旋简并反铁磁,一类具有高奈尔温度的非共线反铁磁例如D019相的Mn3Sn在动量空间具有非零的自旋极化。张佳课题组构建了结构为:“Mn3Sn/绝缘势垒/Mn3Sn”的反铁磁隧道结,利用第一性原理方法计算了反铁磁隧道结的隧穿电阻与左右电极奈尔矢量的依赖关系。研究发现:这种反铁磁隧道结中的隧穿电阻呈现出多阻态,并且隧穿磁电阻比值可高达300%,并且在以其他非共线反铁磁,如立方相Mn3Pt、Mn3Ir,反钙钛矿Mn3GaN构建的隧道结中,也可实现类似的隧穿磁电阻效应。基于这种新型的隧穿磁电阻效应,张佳课题组提出了如图1所示的一种全电学读取反铁磁序的理论方案。

1.(左图)Mn3Sn反铁磁隧道结的结构示意图与电子透射几率分布。(右图)Mn3Sn反铁磁隧道结的隧穿电导随奈尔矢量取向变化以及全电学读取反铁磁序的原理示意图。

该论文的合作者,北京航空航天大学材料学院刘知琪和蒋成保教授课题组,利用磁控溅射和微纳加工方法,制备了结构为“MnPt/Mn3Pt/MgO/Mn3Pt”的反铁磁隧道结。并且通过电学测量,观测到了室温(300 K)高达100 %的隧穿磁电阻效应。另外,Nature上同步刊发的日本东京大学Nakatsuji教授组的研究工作,也在Mn3Sn反铁磁隧道结中观察到了室温隧穿磁电阻效应(论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-022-05463-w)。这些实验结果都是对张佳课题组关于非共线反铁磁隧道结中的磁电阻效应理论预言的实验验证。

为进一步揭示实验观察到的“共线反铁磁MnPt/非共线反铁磁Mn3Pt”界面的交换偏置效应起源,张佳课题组利用自旋动力学方法模拟了反铁磁双层膜在外磁场下的磁化动力学行为。如图2所示,在自旋动力学模拟中,MnPt和Mn3Pt界面考虑了“可随外磁场翻转(reversible )”和“不随外磁场翻转(Irreversible)”两类未补偿的Mn原子。模拟表明“MnPt/Mn3Pt”双层膜的交换偏置效应来源于界面Mn原子的未补偿自旋,其中“不随外磁场翻转”的界面自旋导致磁滞回线的偏移,而“可随外磁场翻转”的界面自旋使Mn3Pt薄膜的矫顽力增强。模拟得到的交换偏置参数与实验结果吻合。

2. a.考虑“可翻转”和“不可翻转”界面未补偿Mn原子自旋的“MnPt/Mn3Pt”界面结构。b.自旋动力学模拟得到的Mn3Pt薄膜以及MnPt/Mn3Pt双层膜的磁滞回线。

基于自旋动力学模拟得到的Mn3Pt在正、负饱和外磁场下的自旋结构,张佳课题组利用第一性原理计算分析了Mn3Pt费米面上的自旋极化随外磁场变化。计算表明,Mn3Pt费米面上的自旋z分量σz在外磁场下反转符号,因此在“Mn3Pt/绝缘势垒/Mn3Pt”隧道结中,当Mn3Pt奈尔矢量处于“平行”和“反平行”取向时,隧穿电导不同,即产生磁电阻效应。为明确计算隧穿磁电阻比值的大小,张佳课题组构建了几种不同反铁磁隧道结,其中绝缘势垒分别考虑了真空、MgO、SrTiO3等,计算得到的隧穿磁电阻比值可达200-300%,这证实了实验上观测到的较大隧穿磁电阻的确起源于Mn3Pt在外磁场下自旋极化的翻转。

张佳副教授是物理学院2016年引进的青年教师。他2012年毕业于中国科学院物理研究所,获得凝聚态物理博士学位,随后分别在德国吉森大学,美国内布拉斯加大学林肯分校从事磁性材料特别是磁性多层膜的电子结构性质及其自旋极化电输运性质的第一性原理计算研究。当前主要研究方向为自旋电子学材料、物理与器件的第一性原理计算研究及自旋动力学模拟。近五年,以第一作者和通讯作者在Nature, Phys. Rev. Lett., Nano Letters, Phys. Rev. B, Phys. Rev. Appl.等国际学术期刊发表论文10余篇。该工作得到了国防创新特区项目以及国家自然科学基金面上项目的资助。

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

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