客户成果丨新加坡国立大学Nat. Commun.：利用轨道角动量对反铁磁材料进行反铁磁序调控

随着现代社会海量信息存储和处理需求的进一步提升，传统半导体技术面临严峻的挑战。CMOS工艺遵循着摩尔定律发展至今，已经逐渐达到瓶颈——随着特征尺寸的减小，晶体管漏电流的物理存在导致系统的静态功耗大幅增加。

科研人员们把目光投向了传统半导体以外的其他领域，希望能够找到突破点。在新型电子器件领域，基于自旋电子学各类效应所提出的自旋电子器件是目前的主流研究方向之一。传统自旋电子器件采用铁磁材料作为信息的存储载体，但是铁磁材料受限的磁动力学性质将器件的工作频率限定在了GHz量级，相较于CMOS器件并无优势。目前，反铁磁材料因具备高密度、高速度等特点，引起了世界各地研究工作者的高度重视。现阶段，反铁磁材料信息写入的主流方式是自旋轨道矩（spin-orbit torque）效应，但仍存在写入电流密度较高（~10 MA/cm²）等瓶颈。

针对以上问题，近日，新加坡国立大学Jingsheng Chen教授团队揭示了可以利用轨道角动量对反铁磁材料Mn₃Sn进行反铁磁序的调控。

图1 （a）反铁磁Mn₃Sn的磁结构示意图。（b）利用自旋轨道矩翻转Mn₃Sn反铁磁序的示意图。（c）利用轨道角动量翻转Mn₃Sn反铁磁序的示意图。（d）Mn₃Sn/Cu/CuOx的膜层结构和测试系统示意图。（e）器件电阻随氧化时间变化趋势。小图为器件的反常霍尔电阻随磁场变化的趋势。（f）不同Cu氧化时间下电流操控对器件反常霍尔电阻的影响。

Mn₃Sn是一种具备非共线结构的外尔反铁磁材料（图1）。由于打破了时间反演对称性，其可向外表现出包括反常霍尔效应、反常能斯特效应、隧穿磁电阻等输运性质。该研究团队提出，由于Mn₃Sn具备较大的自旋轨道耦合效应（spin-orbit coupling effect），可以有效将轨道角动量矩转化为自旋角动量矩，随后完成对上层反铁磁序的翻转。

图2 （a）Mn₃Sn/Pt/Mn/AlN的膜层结构。（b）外加磁场大小对翻转比例的影响。（c）电流驱动翻转两个稳态的示意图。（d）施加电流脉冲宽度对翻转的影响。（e）电流驱动下器件的忆阻器行为。

图3 （a）Pt厚度对翻转电流密度的影响。（b）Co/Pt/Mn结构中Pt厚度对有效自旋霍尔角的影响。（c）Mn厚度对翻转电流密度的影响。（d）Co/Pt/Mn结构中Mn厚度对有效自旋霍尔角的影响。（e）（f）器件在磁场和电流不同夹角下的一次谐波信号和二次谐波信号。

该团队揭示了不同的轨道角动量来源材料，包括氧化物如CuO、金属如Mn等，都可以用于完成电控反铁磁序翻转。并且，在Mn₃Sn和轨道矩来源层之间插入一层重金属Pt（图2），可以进一步提高翻转效率，降低翻转电流密度。通过精确控制Pt插入层的厚度，研究人员发现当Pt厚度为1 nm时，翻转电流密度最低（~1 MA/cm²），相较于普通利用自旋轨道矩翻转反铁磁序降低了一个以上数量级，能耗也降低接近一个数量级。通过二次谐波测试可得，利用Mn/Pt双层优化结构翻转Mn₃Sn的有效自旋霍尔角高达0.3以上；作为对比仅用Pt去翻转反铁磁序，其自旋霍尔角仅为0.026。以上实验充分证明了相较于自旋轨道矩效应，轨道角动量可以更加有效地对反铁磁材料Mn₃Sn进行信息写入操作。

图4 （a）利用轨道角动量翻转Mn₃Sn范式实现的长程抑制和长程增强神经网络功能。（b）文中所构建的人脸图片识别神经网络示意图。（c）Mn₃Sn器件和理想器件的学习过程示意图。（d）不同器件的学习精度差别。

此外，该团队还进一步解释了利用轨道角动量翻转反铁磁序的范式可以完成高线性度的人工神经网络功能（图4），其人脸图像识别准确度为97.5%，相较于理想器件仅低了2%，远高于基于普通自旋轨道矩翻转范式的器件。该工作不仅为提升反铁磁自旋电子器件性能提供了可选择的新路径，也在人工智能应用方面展现了巨大潜力。

研究成果于2024年1月25日以“Effective electrical manipulation of a topological antiferromagnet by orbital torques”为题，发表在Nature Communications。新加坡国立大学材料科学与工程学院郑臻益博士、曾涛博士和赵铁杨博士为论文共同第一作者，北京超弦存储器研究院Huihui Li研究员，南洋理工大学Beng Kang Tay教授和新加坡国立大学Jingsheng Chen 教授为论文通讯作者。该项研究得到了新加坡教育部、新加坡科技研究局等项目的资助。

论文信息：
Zhenyi Zheng#, Tao Zeng#, Tieyang Zhao#, Shu Shi, Lizhu Ren, Tongtong Zhang, Lanxin Jia, Youdi Gu, Rui Xiao, Hengan Zhou, Qihan Zhang, Jiaqi Lu, Guilei Wang, Chao Zhao, Huihui Li*, Beng Kang Tay*, Jingsheng Chen*. Effective electrical manipulation of a topological antiferromagnet by orbital torques. Nature Communications, 15, 745 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41467-024-45109-1

该研究中使用托托科技UV Litho-ACA无掩膜光刻机完成了Hall bar器件的制备工作。