八极矩驱动的全反磁隧道结域的自旋传递扭矩开关
材料科学
2025-09-04 v1 介观与纳米尺度物理
应用物理
摘要
基于铁磁体的磁隧道结（MTJ）是自旋电子学中的标准器件，广泛应用于数据存储、计算和探测。它们同时表现出通过隧道磁阻（TMR）效应实现磁学顺序的电气检测机制，反过来，通过自旋传递扭矩（STT）实现对磁学顺序的控制。长期以来，人们认为这些效应在由反磁性材料制成的隧道结中无法实现显著效应，因为它们不具备净磁化。然而，最近的研究表明，基于手性反磁体的全反磁隧道结（AFMTJ）确实表现出TMR效应，这是由于其非相对论的动能相关自旋极化和簇磁八极矩矩的体现，这些都是其自旋分裂带结构的体现。然而，反向效应——即通过AFMTJ驱动的反磁性STT效应——长期以来被认为不存在，因为总电流为自旋中性。本文与此不同，报道在尺度化的AFMTJ中实现了这种反向效应，我们将其称为八极矩驱动的自旋传递扭矩（OTT）。我们展示了PtMn3|MgO|PtMn3 AFMTJ在热氧化硅衬底上实现了当前驱动的OTT开关，实现了室温下最高的363% TMR值和约10 MA/cm²的开关电流密度。我们的理论建模解释了OTT的起源，依据在AFMTJ跨越的簇间和簇内自旋电流之间的不平衡，等价地，依据每个PtMn3层的非零簇八极矩极化。该工作为反磁自旋电子学建立了新的材料平台，为深层缩放的磁性存储和室温太赫兹技术提供了路径。
引用
@article{arxiv.2509.03026,
title = {Octupole-driven spin-transfer torque switching of all-antiferromagnetic tunnel junctions},
author = {Jaimin Kang and Mohammad Hamdi and Shun Kong Cheung and Lin-Ding Yuan and Mohamed Elekhtiar and William Rogers and Andrea Meo and Peter G. Lim and M. S. Nicholas Tey and Anthony D'Addario and Shiva T. Konakanchi and Eric Matt and Jordan Athas and Sevdenur Arpaci and Lei Wan and Sanjay C. Mehta and Pramey Upadhyaya and Mario Carpentieri and Vinayak P. Dravid and Mark C. Hersam and Jordan A. Katine and Gregory D. Fuchs and Giovanni Finocchio and Evgeny Y. Tsymbal and James M. Rondinelli and Pedram Khalili Amiri},
journal= {arXiv preprint arXiv:2509.03026},
year = {2025}
}