中国科学院微电子所在半导体器件物理领域获进展

传统的自旋信息器件主要基于对铁磁材料中磁矩的精确操控与探测，但由于杂散场、较小的磁各向异性场等本征缺陷的存在，使得铁磁自旋信息器件面临诸多挑战。具有零净磁矩的反铁磁材料具有超快的自旋动力学特征、极小的杂散场和较强的抗外场干扰能力，在超高密度信息存储和超高速度信息处理方面具有巨大的应用潜力，被认为是下一代自旋信息器件非常重要的候选载体材料。

拓扑反铁磁材料(如典型代表Mn3Sn)集合了常规反铁磁体中零杂散场和超快自旋动力学特征、以及拓扑材料中非平庸拓扑能带诱导的大磁输运特性等优势，为反铁磁自旋信息器件的实际应用提供了非常可行的解决方案。其中，如何利用全电学方法有效操控、探测反铁磁的磁化状态，以及设计并制备基于反铁磁材料的新型拓扑自旋结构是其在信息存储或自旋逻辑器件应用中亟待解决的关键问题。

最近，半导体所半导体超晶格国家重点实验室的王开友课题组与南方科技大学卢海舟教授合作，在无重金属电流注入的条件下，利用Mn3Sn自身非平衡局域自旋积累实现了非共线反铁磁外尔半金属的无外场磁化翻转，并进一步实现了全电控反铁磁多态翻转(如图1所示)。

通过与铁磁/重金属异质结、共线反铁磁/重金属异质结的无外场翻转中读写效率比较发现，Mn3Sn具有更高的读写效率(反常霍尔电阻率/临界翻转电流密度)，证明Mn3Sn是一种高效且稳定性高的反铁磁材料(如图2所示)。最后，与Mn3Sn异质结薄膜相比较，理论和实验表明纯Mn3Sn具有最大的对称性破缺，验证了Mn3Sn全电控磁化翻转的物理来源。

该工作解决了具有大读出信号的反铁磁材料难以利用全电学方法调控的难题，为设计和研制全电控反铁磁新功能器件和芯片的发展提供了可行的方案。

图1 Mn3Sn展现出巨大的反常霍尔效应，基于非平衡自旋流积累实现了纯Mn3Sn磁化翻转，在此基础上演示了二态翻转和多态翻转。

图2 非共线反铁磁Mn3Sn无外场翻转读写效率与其他有序磁性材料/重金属异质结无外场翻转的比较。结果表明纯Mn3Sn全电控磁化翻转的效率更高。 该工作以“All-electrical switching of a topological non-collinear antiferromagnet at room temperature”为题发表在National Science Review 10, nwac154(2023)(DOI: 10.1093/nsr/nwac154)。半导体所王开友研究员和南方科大卢海舟教授为共同通讯作者，半导体所博士后邓永城、刘雄华副研究员和南方科大的博士生陈毅远、杜宗正副教授为共同第一作者。 为进一步探索基于非共线反铁磁Mn3Sn薄膜的新型拓扑自旋织构，王开友课题组与半导体所超晶格室的常凯院士课题组和中科院合肥强磁场中心的陆轻铀教授课题组合作，在Mn3Sn/Pt异质结构中，通过调节界面Dzyaloshinskii–Moriya相互作用的大小，首次在室温下实现了Mn3Sn自旋织构从共面倒三角型到Bloch型斯格明子(skyrmions)的演化。 此外，在Mn3Sn/Pt系统中，团队还发现了温度诱导的斯格明子-反铁磁类半子（meron-like）自旋织构的非常规转变(转变温度大约220 K)（如图3所示）。理论计算表明，这种拓扑自旋织构的转变与Mn3Sn晶胞内笼目(kagome)亚结构之间反铁磁交换相互作用的温度依赖性有关。 该工作不仅证明了非共线反铁磁异质结系统中丰富多样的拓扑自旋织构，而且为利用应变或插层等手段调节层间相互作用来构筑新型拓扑自旋织构提供了可行的方案。

图3 设计制备的非共线反铁磁/重金属（Mn3Sn/Pt）异质结中，利用界面DMI效应诱导出室温斯格明子以及220 K附近发现的斯格明子-反铁磁类半子的转变。 

该工作以“Topological spin textures in a non-collinear antiferromagnet system”为题发表在Advanced Materials 2211634 (2023)(DOI：10.1002/adma.202211634)。半导体所王开友研究员、中科院合肥强磁场中心陆轻铀教授和半导体所刘雄华副研究员为共同通讯作者，半导体所刘雄华副研究员，张东副研究员和中科院合肥强磁场中心的冯启元副研究员为共同第一作者。该工作得到了常凯院士在理论上的悉心指导。

以上工作得到了科技部重点研发计划、中科院先导专项、国家自然科学基金、以及北京市自然科学基金重点研究专题等基金的支持。

审核编辑 ：李倩