刘知琪教授课题组在Nature Electronics上报道首个反铁磁材料拓扑反常霍尔效应的电场门控器件

发布时间:2018-03-14  浏览次数:

 

传统铁磁性材料,如FeCoNi及其合金材料,在现代信息磁存储(如硬盘、磁带、信用卡磁条等)领域起着重要的媒介作用,为信息数字化时代人们的日常生活所必需。但随着全世界数据量的爆发式增长,信息存储过程中的能耗越来越大,而其中很大一部分能耗来源于用来产生磁场的电流在导线中的无效焦耳热,因而这种传统磁存储急待被新型存储器件所替代以降低能耗;另外,基于铁磁材料的磁存储器件很容易受到周围杂散磁场的干扰,导致“消磁”以致数据丢失。

非共线反铁磁材料中的反常霍尔效应示意图

多年来,反铁磁材料由于没有宏观磁性,在现代磁存储的磁头结构中起着钉扎铁磁材料磁化方向的辅助作用。随着近年来人们对反铁磁材料的深入研究,反铁磁自旋电子学逐渐成为一门前沿学科,例如,利用反铁磁材料中自旋-轨道耦合相关的各向异性磁电阻效应,可将其应用于记忆存储器件,其最大的优点包括可以有效抵抗外界零散磁场干扰以及内禀自旋高频动力学特性。此外,理论研究发现一些非共线的反铁磁材料由于特殊对称性和布洛赫能带的拓扑特征会呈现出原来只有在铁磁材料中才有的反常霍尔效应,可以简单理解为,无需外加磁场,非共线的自旋结构就能够将材料中的电子和空穴进行分离从而产生垂直于电流方向的霍尔电压。

北京航空航天大学材料科学与工程学院刘知琪教授课题组在压电陶瓷BaTiO3单晶基片上制备出了高质量的非共线反铁磁金属间化合物Mn3Pt [(a)]的外延单晶薄膜,并在其中观测到了很大的室温拓扑反常霍尔效应。在此基础上,实验团队进一步在压电陶瓷BaTiO3基片上施加电场[(c)]来使其产生压电形变以带动上面的Mn3Pt薄膜的晶体结构发生形变,从而可以将Mn3Pt自旋结构在共线和非共线之间来回转换,相应地,拓扑反常霍尔效应也随之消失或出现[(d)]。这样一来,就实现了外加电场对反铁磁材料的拓扑反常霍尔效应的“开”“关”调控,尤其是零磁场下的调控非常有利于实际应用。

(a)Mn3Pt合金的晶体和自旋结构示意图,蓝色球为Mn原子,灰色球为Pt原子。(b)反常霍尔电阻随外加磁场的变化。(c)电场门控示意图。(d)电场对反常霍尔效应的“开”“关”调控。

由于压电陶瓷是非常好的绝缘体,施加在BaTiO3的电场在其中产生的电流非常小,可以忽略不计,因此通过这种方式对信息存储进行编码可以有效地避免焦耳热,从而极大降低信息存储过程中的能耗。此外,利用反铁磁材料进行信息存储研究,有望制备出抗外界磁场干扰、极低能耗的高频信息存储器件,不仅可以用于日常生活的信息存储,并且可以应用于恶劣磁场环境下的信息存储与处理。

此项工作39日在线发表在《自然·电子学》上,发表页面的截屏如下:

此外,Nature Electronics邀请了反铁磁电子学领域著名学者、德国卡尔斯鲁厄理工学院Christoph Sürgers教授以“Electrical switching of the anomalous Hall effect”为题撰写了News & Views,发表在同期上,对此项工作进行了专题报道。

北航参与此研究的人员包括蒋成保教授、王敬民副教授、刘敬华博士、研究生冯泽鑫和闫晗。此外,我校“外专千人”、国际著名磁学专家J. M. D. Coey教授对此工作也给予了指导。理论工作由美国科罗拉多州立大学陈铧教授和德克萨斯大学奥斯汀分校Allan H. MacDonald教授完成,对实验观察进行了很好的物理解释。

该项研究得到了国家自然科学基金和北京航空航天大学青年拔尖人才计划的资助。

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作为Nature出版集团推出的新期刊,《自然·电子学》(Nature Electronics)面向学术界和工业界,旨在发表电子学领域所涵盖的基础研究和应用研究的最新原创性成果,侧重报道新兴技术的发展及其对社会变革的重大影响。

官网:https://www.nature.com/natelectron/