米乐m6官方网站 即使在高频下也稳定：发现新的自旋扭矩二极管效应

东京大学固体物理研究所的助理教授 Yoshiya Sakamoto 和副教授 Shinji Miwa 正在与该大学的研究生院、该大学的先进科学技术研究中心、国立先进工业技术研究所的新原理计算研究中心和高亮度光科学研究中心合作开发新材料。手性反铁磁体（注1）中的常规材料铁磁材料(注2)可以在更高的频率下稳定运行自旋扭矩二极管效应（注3）被发现。

具有称为手性反铁磁体的特殊磁性结构锰化合物（Mn₃锡）(注4)薄至10纳米以下，施加微波电流(高频电流)，出现直流电压(图1)。交流电产生直流电压的效应被广泛称为二极管效应，由半导体制成的整流二极管在社会上得到广泛应用。在自旋扭矩二极管效应中，与电子旋转相对应的自旋振荡产生整流效应，类似于半导体中的整流二极管。有报道称，使用铁磁材料的自旋扭矩二极管超过了半导体二极管的微波电流检测灵敏度，但随着频率的增加，信号（电压）的强度与此成反比地迅速下降。在这项研究中，交流互动的属性（注5）是一种表现出高能量的反铁磁材料，我们实现了二极管效应，即使频率增加，信号强度的稳定性也比铁磁材料高10至100倍。这种新型自旋扭矩二极管的实现有望促进下一代自旋电子学和高速通信的发展。

这一成果发表在英国科学杂志《自然纳米技术'' 将于 2024 年 12 月 3 日在线发布。

〈研究背景〉

以半导体为中心的电子学是巧妙地利用电子的电学特性而发展起来的。近年来，自旋电子学的研究正在积极进行，它利用磁体的“自旋”特性（对应于电子的旋转），有望成为低功耗和高速运行等下一代信息技术的基础。到目前为止，自旋电子学已经利用铁磁材料，这些材料对电和光表现出与其磁化强度成比例的大响应。铁磁材料在微波频段具有独特的谐振频率，可以与微波有效地相互作用。例如，如果绝缘体夹在两种铁磁材料之间磁隧道结（注6）“自旋扭矩二极管效应”是众所周知的，当微波电流施加到器件时会产生直流电压。然而，当使用铁磁材料时，存在一个问题，即二极管信号的强度随着频率的增加而显着降低，与其成反比。

<研究内容>

研究团队采用反铁磁体来解决高频下的二极管信号衰减问题。反铁磁材料表现出称为交换相互作用的高能量，因此它们比铁磁材料具有更大的谐振频率，并且即使在高频段，二极管也有望稳定运行。另一方面，普通反铁磁体不具有磁化强度，因此它们无法提供铁磁体所具有的大响应。

因此，在本研究中，我们重点关注锰 (Mn)-锡 (Sn) 合金 Mn，它是一种手性反铁磁材料₃我用了锡。由于其独特的结构，该材料尽管具有反铁磁性，但仍表现出类似铁磁性的响应，近年来在各个领域引起了人们的关注。研究团队首先从Mn入手₃在钨（W）薄膜之上制作锡合金薄膜，其厚度减至极薄的7纳米。当电流通过该两层膜时，电流在W层中转换成自旋流，即自旋流，并且Mn₃注入Sn、Mn₃Sn 的自旋运动被诱导。将制作的薄膜加工成器件，进行一边施加磁场一边同时施加5GHz微波电流和直流电流的实验。他们发现，在施加微波电流时，会出现具有特征峰值结构的直流电压，该电压与其功率成正比（图 1，右）。该结果表明自旋扭矩二极管效应也在使用反铁磁体的器件中表现出来。我们还进行了实验，同时将施加的微波频率改变至 30 GHz，结果发现该峰值的大小在高达 30 GHz 的范围内几乎没有变化（图 2）。这种行为与铁磁材料中的一般二极管信号本质上不同，后者随频率成反比减小。

为了了解这种行为，研究团队还进行了详细的数值模拟，其中考虑了反铁磁体特有的交换相互作用。模拟完美地再现了实验结果，表明当直流电驱动的自旋运动受到磁场抑制时，它可以有效地与微波相互作用并产生整流效应。这表明，实验中观察到的频率下的稳定行为确实是由于反铁磁体中表现出的强交换相互作用。

<未来展望>

这一结果首次证明了反铁磁材料中的“自旋扭矩二极管效应”，该效应可将高频电流转换为直流电压。通过使用反铁磁体，可以在比以往更宽的频率范围内工作。这项研究的基本技术将有助于 JST 未来社会创建项目目前正在开发的自旋电子学光电融合器件中写入和磁移位寄存器的高速运行。因此，自旋扭矩二极管有望在直至太赫兹波的高频范围内得到应用，并有望为下一代自旋电子学和下一代通信技术Beyond 5G的发展做出贡献。

本研究得到日本学术振兴会科学研究补助金（项目编号：JP19H05825、JP21H04437、JP22H00290）、22H04964、23H01833、24H02234）、日本科学技术振兴机构 (JST) 未来协会的支持创造项目（问题编号：JPMJMI20A1）、策略这项工作是在CREST（项目编号：JPMJCR18T3）、CREST（项目编号：JPMJPR20L7）、文部科学省下一代X-nics半导体创造中心项目（JPJ011438）以及自旋电子学学术研究基金会和协作网络中心的支持下进行的。

(注1)反铁磁材料/手性反铁磁材料

反铁磁材料是相邻原子的自旋沿相反方向排列的材料。这导致自旋作为一个整体相互抵消，几乎不产生磁场。典型的反铁磁材料包括氧化锰（MnO）和氧化镍（NiO）。在手性反铁磁体中，即使相邻原子的自旋指向与相反方向不同的方向，但多个自旋的相互作用会抵消整个自旋，因此几乎不产生磁场。[返回来源]

（注2）铁磁材料

铁磁材料是指每个原子的自旋（与电子的旋转相对应）排列在同一方向，整体上产生强磁场的材料。它指的是所谓的磁铁和粘在磁铁上的物质，我们在我们周围随处可见它们。典型的铁磁材料包括铁 (Fe)、钴 (Co) 和镍 (Ni)。[返回来源]

（注3）自旋扭矩二极管效应

在由铁磁体/绝缘体/铁磁体组成的磁隧道结中发现了自旋扭矩二极管效应。在这种效果中，当施加微波电流时，交流电压被整流以产生直流电压。它利用磁体的自旋来实现与半导体二极管相同的效果，并且在频率变化性和灵敏度方面有可能大大超过半导体二极管。[返回来源]

(注4)锰化合物(Mn₃锡)

本研究中使用的锰₃Sn具有以戈薇晶格图案排列的锰原子，每个锰原子的磁矩旋转120度。此外，Mn₃众所周知，锡表现出与铁磁材料相当的大外场响应，并且引起了人们的关注，尽管它的整体磁矩相互抵消并且不具有磁体的特性。[返回来源]

(注5)交流互动

交换相互作用是指倾向于使相邻原子的自旋平行或反平行排列的能量。交换相互作用越强，磁序越强。在铁磁材料中，所有自旋都指向同一方向并同时改变方向，因此不存在交换相互作用的影响。另一方面，在反铁磁材料中，每次自旋都沿不同的方向进行，并改变彼此的角度，因此交换相互作用的影响变得明显。这个能量尺度比磁场大得多，并且反铁磁体比铁磁体具有更高的谐振频率。这一特性使得自旋扭矩二极管能够在高频下工作。[返回来源]

(注6)磁隧道结

磁隧道结是一种薄绝缘层夹在两个磁性层之间的结构。在该结构中，电子穿过绝缘层的容易程度根据磁性层的自旋方向相同或相反而变化，并且电阻相应地变化。该特性用于记录信息的磁存储器和检测磁场的传感器。[返回来源]