编辑总结
反铁磁自旋电子学有望实现铁磁材料无法达到的高速与高效。然而，在实验中实现这一目标一直具有挑战性。本文实现了反铁磁 Mn₃Sn（锰-锡）纳米点的全电驱动。研究人员使用了脉冲宽度为 0.1 纳秒、电流密度对脉冲宽度不敏感的电流脉冲。
研究背景
在无线电频率或更高频率下电流驱动反铁磁状态一直具有挑战性。
鉴于此，日本东北大学Shunsuke Fukami团队的Yutaro Takeuchi等人在Science期刊上发表了题为“Electrical coherent driving of chiral antiferromagnet”的最新论文。本研究报道了对手性反铁磁 Mn₃Sn 纳米点样品的全电驱动，并实现了吉赫兹范围内的相干激发。
实验中，系统在多次试验中保持高相干性，且阈值电流对脉冲宽度不敏感，这与铁磁体的结果不同。在亚纳秒时间尺度下，0.1 纳秒脉冲即可实现 1000/1000 次开关而无需外加磁场。
这些特性归因于反铁磁激发的惯性特性。本研究凸显了反铁磁自旋电子学在磁性器件操作中同时实现高速与高效的潜力。
研究亮点
（1）实验首次在手性反铁磁 Mn₃Sn 纳米点上实现吉赫兹范围内的全电驱动，得到了单畴下的高相干自旋激发，并实现了 0.1 纳秒脉冲的 1000/1000 次开关，且无需外加磁场。
（2）实验通过利用自旋轨道力矩（SOT）驱动 Mn₃Sn 纳米点，发现其驱动电流在高速亚纳秒范围内对脉冲宽度不敏感，这归因于反铁磁体普遍存在的自旋动力学惯性。进一步分析显示，Mn₃Sn 纳米点的开关磁场高达 350 mT，比铁磁体高出一到两个数量级，源于其极小的磁化和相应微弱的 Zeeman 能量分裂，从而对外部磁场具有高稳健性。通过电流脉冲调控，手性自旋结构的旋转频率可调，实现高重复性、无磁场的开关操作。
（3）整体实验结果表明，反铁磁自旋电子学在高速与高效磁性器件操作中具有明显优势，相较于传统铁磁体，可实现更快速、低功耗、稳定性更高的自旋控制，为下一代高速磁存储和自旋电子器件提供了实验基础和理论依据。
图文解读
图 1. 样品布局与测量系统
图 2. Mn₃Sn 纳米点的磁场与自旋轨道力矩（SOT）诱导开关
图 3. 开关概率与无磁场开关
图 4. 脉冲宽度、电流幅值与开关特性之间的关系
图 5. 开关电流的数值计算
结论展望
本研究展示了在自旋轨道力矩作用下，利用 Mn₃Sn 纳米点对手性反铁磁体进行吉赫兹范围内的电学相干驱动。实验结果可以通过手性自旋结构的相干动力学得到一致解释，其旋转频率可通过电信号调控。基于这一方案，他们实现了手性反铁磁体的高重复性、无外加磁场的吉赫兹开关。此外，他们还表明，在高速驱动下，反铁磁体的驱动电流对脉冲宽度的敏感性远低于铁磁体，这是由于反铁磁体普遍存在的自旋动力学惯性所致。进一步地，本研究中 Mn₃Sn 纳米点的开关磁场为 350 mT，比铁磁材料对应值高出一到两个数量级，这是由于 Mn₃Sn 的磁化极小，导致 Zeeman 能量分裂相应很小，从而对外部磁场具有很高的稳健性。他们的实验结果显示了反铁磁自旋电子学相较于传统铁磁体的明显优势。
|
京公网安备