科技日報記者 張佳欣
反鐵磁材料因其潛在的高速信息處理能力，近年來受到科學界高度關注。但由于其自旋信號難以探測與控制，長期不能得到實際應用。據(jù)最新一期《科學》雜志報道，包括美國康奈爾大學在內(nèi)的研究團隊報告稱，他們利用二維反鐵磁材料與隧道結結構，首次在微米尺度下實現(xiàn)了對反鐵磁自旋共振的電信號探測和可控調節(jié)。這一技術將有望應用于下一代高速、自旋電子器件。
反鐵磁材料和鐵磁材料一樣，由具有“自旋”的原子組成。在鐵磁材料中，這些原子的自旋方向整齊排列，形成可被探測的外部磁場；而在反鐵磁材料中，自旋相互抵消，整體上不產(chǎn)生外部磁場。因此，反鐵磁材料的自旋運動既難以探測，也難以控制。
以往對反鐵磁自旋動力學的探測都是在毫米尺度甚至更大的樣品上進行的，這種尺寸根本無法應用于真正實用的器件中。而此次研究中，研究團隊制造出的是微米級別的器件，尺寸縮小了近千倍，并能在其中探測到強烈信號。
此次成功的關鍵在于，研究團隊利用量子力學中的“隧穿效應”，即電子可穿越常規(guī)物理勢壘的現(xiàn)象，構建出一種可讀取自旋變化的隧道結。當反鐵磁材料內(nèi)部的自旋方向發(fā)生變化時，隧穿電子的電阻也隨之改變，從而實現(xiàn)高速電信號讀取。
最新研究還融合了自旋電子學與二維材料兩個前沿領域。團隊利用“自旋軌道轉矩”機制，通過電流激發(fā)自旋流，對材料中的自旋結構施加“扭矩”，實現(xiàn)有效調控。
該成果標志著反鐵磁材料研究邁出從“難以利用”到“可讀可控”的關鍵一步，為開發(fā)新一代低功耗、高速運算芯片提供了全新路徑。
