科技日?qǐng)?bào)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(lái)受到科學(xué)界高度關(guān)注。但由于其自旋信號(hào)難以探測(cè)與控制，長(zhǎng)期不能得到實(shí)際應(yīng)用。據(jù)最新一期《科學(xué)》雜志報(bào)道，包括美國(guó)康奈爾大學(xué)在內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱，他們利用二維反鐵磁材料與隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，首次在微米尺度下實(shí)現(xiàn)了對(duì)反鐵磁自旋共振的電信號(hào)探測(cè)和可控調(diào)節(jié)。這一技術(shù)將有望應(yīng)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(cè)的外部磁場(chǎng)；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(chǎng)。因此，反鐵磁材料的自旋運(yùn)動(dòng)既難以探測(cè)，也難以控制。

以往對(duì)反鐵磁自旋動(dòng)力學(xué)的探測(cè)都是在毫米尺度甚至更大的樣品上進(jìn)行的，這種尺寸根本無(wú)法應(yīng)用于真正實(shí)用的器件中。而此次研究中，研究團(tuán)隊(duì)制造出的是微米級(jí)別的器件，尺寸縮小了近千倍，并能在其中探測(cè)到強(qiáng)烈信號(hào)。

此次成功的關(guān)鍵在于，研究團(tuán)隊(duì)利用量子力學(xué)中的“隧穿效應(yīng)”，即電子可穿越常規(guī)物理勢(shì)壘的現(xiàn)象，構(gòu)建出一種可讀取自旋變化的隧道結(jié)。當(dāng)反鐵磁材料內(nèi)部的自旋方向發(fā)生變化時(shí)，隧穿電子的電阻也隨之改變，從而實(shí)現(xiàn)高速電信號(hào)讀取。

最新研究還融合了自旋電子學(xué)與二維材料兩個(gè)前沿領(lǐng)域。團(tuán)隊(duì)利用“自旋軌道轉(zhuǎn)矩”機(jī)制，通過(guò)電流激發(fā)自旋流，對(duì)材料中的自旋結(jié)構(gòu)施加“扭矩”，實(shí)現(xiàn)有效調(diào)控。

該成果標(biāo)志著反鐵磁材料研究邁出從“難以利用”到“可讀可控”的關(guān)鍵一步，為開(kāi)發(fā)新一代低功耗、高速運(yùn)算芯片提供了全新路徑。