Электроника играет ключевую роль в современном информационном обществе. Однако в электронных устройствах важен только заряд электрона, что делает рассеивание энергии все более актуальной проблемой, препятствующей дальнейшему развитию. Спинтроника, междисциплинарная область, в которой одновременно используются зарядовые и спиновые степени свободы электрона, позволяет электрически управлять магнетизмом и наоборот, прокладывая путь к энергоэффективным и высокоскоростным информационным технологиям, выходящим за рамки современной полупроводниковой электроники.
В то время как ферромагнетики доминировали в исследованиях и приложениях спинтроники, интерес вызвали антиферромагнетики с нетривиальными спиновыми структурами (рис. 1). Антиферромагнитная спинтроника обладает потенциалом для создания высокоинтегрированного и сверхбыстрого спинтронного оборудования.
Недавно исследовательская группа выделила ряд важнейших достижений в области антиферромагнитной спинтроники (включая их собственный вклад), раскрывающих новые рубежи, отличающиеся когерентной спиновой динамикой антиферромагнетиков. Подробности были опубликованы в виде обзорной статьи в Nature Materials 20 марта 2023 года.
В состав команды входили Цзяхао Хан, Сюнсукэ Фуками и Хидео Оно из Университета Тохоку; Ран Чэн из Калифорнийского университета в Риверсайде; и Луцяо Лю из Массачусетского технологического института.
В рамках антиферромагнитной спинтроники ученые приложили много усилий для переключения и считывания статического магнитного порядка. Но когерентная спиновая динамика, ключ к исследованию волновых свойств спинов и интеграции спинтроники с квантовыми и нейроморфными технологиями, привлекла внимание совсем недавно. «Когерентная спиновая динамика антиферромагнетиков демонстрирует гораздо более интригующие особенности, чем у ферромагнетиков [показано на рис. 2]», — говорит Цзяхао Хан, научный сотрудник JSPS, работающий в Научно-исследовательском институте электросвязи (RIEC) Университета Тохоку. «Используя это уникальное свойство, команда добилась прорывов, которые в конечном итоге сформируют новую главу под названием когерентная антиферромагнитная спинтроника».
Команда всесторонне проанализировала важнейшие результаты когерентной антиферромагнитной спинтроники, включая генерацию и перенос спина, вращение спина с электрическим приводом и связанные с этим сверхбыстрые спинтронные эффекты. Примечательно, что несколько важных первичных исследований в этой области были проведены членами этой команды. Ченг и др. предсказал генерацию спинового тока в результате когерентной спиновой динамики и пикосекундного магнитного переключения в антиферромагнетиках. Лю, Хан и др. продемонстрировали перенос на большие расстояния фазово-коррелированных антиферромагнитных спиновых возбуждений. Фуками, Оно и др. сообщалось о вызванном током вращении кирального спина в неколлинеарных антиферромагнетиках. Эти открытия закладывают физическую основу для будущих практических применений, таких как сверхбыстрая энергонезависимая память, сверхбыстрые вычисления на основе волн и терагерцовые наногенераторы.
В своей статье команда предложила несколько направлений исследований, которые могут облегчить текущие исследования и подпитывать будущее когерентной антиферромагнитной спинтроники. «В то время как сообщество спинтроники посвятило огромные усилия ферромагнетикам, с антиферромагнетиками еще многое предстоит сделать», — говорит Шунсуке Фуками, профессор RIEC. «Например, нам нужно синтезировать антиферромагнетики с более контролируемыми доменными структурами, чтобы улучшить спиновую когерентность. Процесс магнитного переключения должен быть визуализирован с временным разрешением, чтобы оптимизировать скорость работы. И исследование новых квантовых эффектов крайне желательно для разработки бесконтактных коммуникационных и вычислительных устройств».
Команда с оптимизмом ожидает, что благодаря совместным усилиям физиков, материаловедов и инженеров-электриков быстро развивающаяся область когерентной антиферромагнитной спинтроники, как ожидается, ускорит фундаментальные и практические исследования в области эффективного, сверхбыстрого и интегрированного оборудования для информационных технологий следующего поколения.