研究透视：手性反铁磁 | Science

在射频或更高频率时，电流驱动反铁磁态仍然是主要挑战。自旋轨道扭矩SOT对反铁磁材料进行电控制，主要集中在直流或低频条件下，且通常需要较大的电流密度和外部磁场或热效应的辅助。对于反铁磁材料，固有的高交换频率和动力学惯性，使其在高速和高效率方面具有潜在优势，但实验探索这一领域仍然具有挑战性。

近日，日本东北大学Yutaro Takeuchi，Yuta Yamane，Shunsuke Fukami等，在Science上发文报道了在千兆赫范围内，通过单次电脉冲，在手性反铁磁锰锡（Mn₃Sn）纳米点中，实现了全电相干驱动。

研究表明，反铁磁材料在亚纳秒范围内实现了高相干性以及对脉冲宽度不敏感的阈值电流，在零磁场时，通过0.1纳秒脉冲，实现了1000/1000翻转，显著优于铁磁材料。这些特征归因于反铁磁激励的惯性性质。

这一研究强调了在磁器件操作中，反铁磁自旋电子学为超高速、高能效自旋电子器件的发展提供了新路径。

Electrical coherent driving of chiral antiferromagnet.

手性反铁磁的电相干驱动。

图1 样品布局和测量系统。

图2 Mn3Sn纳米点的磁场和自旋轨道扭矩SOT诱导翻转。

图3 翻转概率和零磁场翻转switching。

图4 脉冲宽度、幅度和开关特性之间关系。

图5 开关电流的数值计算。

编辑语

反铁磁自旋电子学，保持着铁磁体无法实现的高速和高效潜质。然而，在实验中实现这些目标是非常困难的。该项研究，实现了反铁磁Mn3Sn纳米点的全电驱动。在电流密度对脉冲宽度不敏感的情况下，使用了短至0.1纳秒的电流脉冲。

材料与实验过程
研究采用Mn₃Sn/W/Ta异质结纳米点结构，通过溅射在MgO(110)衬底上制备，层厚分别为W（2 nm）/Ta（3 nm）/Mn₃Sn（20 nm）/MgO（1.3 nm）/Ru（1 nm）。实验通过脉冲发生器施加0.1–10 ns宽度的电压脉冲，利用共面波导进行高频测量，并通过反常霍尔效应检测自旋状态切换。脉冲电流密度最高达112 MA/cm²，在零磁场下实现了100%成功率的超快切换。

反铁磁材料在超快电学控制中的显著优势，惯性动力学特性使得在亚纳秒尺度下仍能保持低功耗和高稳定性。Mn₃Sn的高各向异性和零净磁矩使其具备强抗干扰能力，为开发下一代高速、高密度、低功耗的自旋存储与逻辑器件提供了关键材料平台与技术基础。

文献链接

Yutaro Takeuchi et al. , Electrical coherent driving of chiral antiferromagnet. Science 389, 830-834 (2025).

DOI:10.1126/science.ado1611

本文译自Science。

来源：今日新材料

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