利用反铁磁性材料提升存储技术

在传统磁存储系统中，采用的是传统铁磁材料。在这种情况下，数据会产生磁场，这为提高存储密度带来了挑战，原因是数据间必须保持足够的间隔，以防止相互串扰。

不久前，一支国际科学家团队在反铁磁性材料霍尔效应方面的研究取得了显著进展，这将为下一代存储器件奠定基础。由于电子自旋的结果，反铁磁性材料呈现内部磁性，但基本上不存在外部磁场。由于没有外部磁场，可支持更密集的数据存储，这使它们成为数据存储的理想选择。

反铁磁性和铁磁性材料的一个关键特性是霍尔效应，即电压垂直于电流方向。电压的符号由向上或向下的箭头表示，故可以用1或0来表征。十多年来，在反铁磁性材料中，这种效应已成为物理学的基础，但仍有某些问题尚待解决。

来自日本东京大学、美国康奈尔大学、约翰·霍普金斯大学及英国伯明翰大学的一组研究人员，对Weyl反铁磁体(Mn3Sn)中的自发霍尔效应提出了解释。这一发现发表在《自然物理学》杂志上，对铁磁体和反铁磁体都有影响。

数字电子

数字计算的基础是读取、写入和删除二进制数据状态的能力。在集成电路中，晶体管作为一种半导体器件，可以切换电信号，作为一个可以代表0或1的比特位。

因此，通常将晶体管称为基本逻辑门或数字器件。本质上，它充当的是一个存储单元。然后，晶体管小型化以及将越来越多的晶体管集成到硅片上的能力，推动了功率和处理能力的扩展。

由于摩尔定律将趋于失效，并且正在迅速接近一个临界壁垒，科学家们正在争先恐后地寻找替代方案。其中一个想法就是如何利用物质的量子态执行二进制计算。

而存取原子或电子的自旋状态则是另一种选择。自旋电子学是一种允许利用电荷状态以外的其他状态进行读/写操作的计算类型。

对于量子计算、神经形态计算和高功率数据存储领域的发展，自旋电子设备具有潜在的意义。与传统器件相比，这些器件具有更快的数据处理速度和更高的晶体管密度。

电子自旋

电子的自旋(量子量)本质上揭示了电子的角动量。在经典物理学中虽然没有类似的量，但通过比较，发现粒子在其自身轴线内旋转。

该量的唯一可想象值为+1/2和-1/2，其中符号反映了两个可能的方向，分别可以是“上升”/向上，或“下降”/向下。因此，电子可以被认为是微小的磁铁，以地球绕太阳旋转的方式围绕元素的核旋转。每个电子相对于原子核都有自己独特的自旋方向，可以沿两者中的任一方向排列。

自旋是信息编码的一个完美选择，因为它只接受这两个值，类似于二进制代码使用0和1的方式。因此，自旋电子学的概念以一种新的电子形式得以发展。

与二进制代码类似，电子的自旋状态也是有两个值：向上或向下，它们相当于“0”和“1”。这些值所实现的数字信息传输速度，比现代晶体管中使用的硅技术更快，并且具有更小的物理尺寸。

迄今为止已经证明比较困难的是，如何找到一种可用于个人电脑和智能手机的基于自旋电子学的材料，并满足以下两个要求：

能够控制电子的自旋方向；

具有足够长/可实现信息传递的自旋“寿命”(或生命周期)。

反铁磁性材料

对于自旋电子学系统的技术实现，有一类独特的材料(反铁磁体)，其具有微弱或者说可忽略的外部交互磁场，这对于存储器件的小型化至关重要。反铁磁体的主要特性基本上如下：

由于外部磁化为零，对外部磁场不敏感；

与相邻粒子无相互作用；

开关时间短(谐振频率为THz量级，而铁磁体为GHz量级)；

反铁磁性材料范围很广，如半导体和超导体。

一种有趣的材料是半金属Mn3Sn，人们对其越来越感兴趣，尽管它不是一个完美的反铁磁体，但它也具有微弱的外部磁场。科学家团队期望证明这种弱磁场是否是产生霍尔效应的原因。基本上，具有反常霍尔效应的反铁磁性晶体几乎都缺乏磁化。

图1：120^◦ Mn3Sn的反手性磁性结构、磁化M的压磁控制以及其方向与阶参数K的偏离示意图。(来源：Nature Physics)

霍尔效应

霍尔效应中的带电粒子沿导电方向横向漂移，与外部磁场垂直。在反常霍尔效应中可以看到类似的行为，但由于导电材料的晶格结构产生了自己的磁场，因此不存在外部磁场。

反常的霍尔效应使研究人员能够研究反铁磁体的特性，包括将机械形变与磁矩感应自发地结合在一起的压磁。

一些反铁磁性和铁磁性晶体表现出一种称为压磁的现象：即系统的机械张力与磁极化之间存在着线性关系。通过在压磁材料上施加物理应变，可以产生自发磁矩；反之，通过提供磁场，就可以引起物理形变。

因此，与磁致伸缩不同，它允许对磁矩进行双向调节。这类似于电气中的压电，如果能在环境温度下尺寸增大，这种现象在技术上可能是有用的。

根据作者在《自然物理学》(Nature Physics)上发表的文章--“室温下反铁磁体中反常霍尔效应的压磁开关”，压磁效应的研究主要局限于低温下的反铁磁绝缘体。该研究科学家团队最近在常温下发现了Mn3Sn中的压磁。

通过使用Mn3Sn，发现应用0.1%量级的小单轴应变可以控制反常霍尔效应的符号和大小。

实验

团队对Weyl反铁磁体的测试表明，施加应力会导致外部残余磁场的增强。

如果霍尔效应是由磁场引起的，那么材料两端的电压就会发生变化。研究人员证明，电压实际上并没有显著变化。相反，他们断定霍尔效应是由材料内自旋电子的取向引起的。

Mn3Sn保持微弱的外部磁场。文中研究人员指出，他们尚无法证明对材料两端的电压没有相应的影响，而材料内自旋电子的排列是导致反常霍尔效应的原因。

以这种方式，对反铁磁性晶体施加一个微小的单轴形变，来微调反常霍尔效应，这允许以不同于通过单轴形变的磁化方式，利用压磁来调节Mn3Sn中的反常霍尔效应(传统上，通过施加外部磁场来实现反常霍尔效应的功能控制)。

根据科学家的说法，这项实验证明了产生霍尔效应的原因是传导电子与其自旋之间的量子相互作用。这些发现对于理解和发展磁记忆技术至关重要。

该实验揭示了应变引起的晶格变化以及某些材料中电子的各向异性，可以用来调节反常霍尔效应。

已经有几种自旋电子存储器件开始应用。尽管也依赖于铁磁开关，MRAM(磁阻随机存取存储器)已经商用，并可能取代电子存储器。使用与MRAM中铁磁体相同的技术，在实验中能够诱导反铁磁性材料Mn3Sn作为直接的存储器件，这种材料中的自旋状态切换功能已得到验证。

本文为《电子工程专辑》2023年2月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅