磁性材料包括能够产生宏观磁化的铁磁材料和在原子水平上具有磁性但在宏观上不显示磁性的反磁性材料。在自旋电子学领域，迄今为止一直使用铁磁材料来实现信息的非易失性存储。然而，如果能够利用反磁性材料的自旋，就有望在太赫兹区域的运行速度上实现比铁磁材料器件高出2～3个数量级的提升。因此，世界各地都在积极开展这项技术的研究。大阪大学研究生院工学研究科的白土优副教授、研究生（研究当时）氏本翔、研究生鲛岛宽生、名古屋大学研究生院工学研究科的森山贵广教授、三重大学研究生院工学研究科的中村浩次教授、关西学院大学工学部的铃木基宽教授、高亮度光科学研究中心的河村直己主干研究员等人组成的联合研究团队，针对铬氧化物Cr₂O₃反磁体薄膜，开发了一种可低功耗且高速驱动的电压自旋控制技术，成功将其控制效率提高到传统铁磁材料的50倍以上。相关研究成果已发表在《NPG Asia Materials》上。
图1（a）本研究中使用的含有铬氧化物的器件模式图。当施加电压时，向上及向下的自旋的大小发生变化；（b）在固定磁场状态下仅改变电压，信号（霍尔电压）因自旋反转而改变的情况；（c）与施加电压对应的自旋反磁场调制（供图：大阪大学）
研究团队近期证明，通过将Cr₂O₃减薄至能够强烈表现自旋信息的纳米区域，可以控制反磁体的自旋，而要将其应用到器件中，则需要降低电压控制所需的功率。然而，能够用电压控制的材料具有介电性，不能直接通过电压来控制磁性。
鉴于此，研究人员将目光投向了电磁效应（磁性和介电性的耦合效应）。这是一种通过电压改变晶体内磁性离子的自旋状态，从而使磁性离子产生移动（介电性）的效应，也适用于反磁体。
研究团队利用这种效应，尝试用电压控制Cr₂O₃薄膜的自旋。结果表明，在不改变磁场的情况下，仅通过电压变化即可反转反磁体的自旋方向。自旋反转条件可以通过电压或磁场的强度进行改变，其调制效率比使用传统铁磁材料时高出50倍以上。此外，研究还明确了可以根据电压方向选择自旋的方向，这也证实了该技术未来应用于存储操作的潜力。
为了阐明观察到的现象的起源，研究人员在大型同步辐射设施Spring-8上进行了元素选择性磁测量（X射线磁圆二色性测量），证实了位于Cr₂O₃电极金属（Pt）界面处的铬自旋发生了反转，这对于基于电磁效应的磁性控制起到重要作用。此外，研究人员从在铁磁体中观测到的金属膜（Pt）本身的磁性效应小到可以忽略不计的这一点出发，发现了观测到的高效自旋控制具有不同于传统铁磁体的机制。
此外，以往人们认为，电磁效是即使在磁性材料中也在特殊材料中产生。但通过实验结果分析和运用第一原理计算的理论考察，研究人员发现，在反磁体和金属的界面处，可以利用不同于晶体内部的原理诱发电磁效应，这为将该技术应用于其他材料系统提供了指导。
为了改变磁化的方向，改变磁化方向的驱动力必须超过固定在该方向上的能垒高度。驱动力由磁化和磁场的乘积决定。反磁体由于不具备磁化特性，几乎没有驱动力。这就是人们一直认为“反磁体的自旋无法控制”的原因。在铁磁体方面，通过电压降低能垒的研究正在不断取得进展。
研究团队关注的电磁效应，则是一种通过电压暂时产生宏观磁化的效应。通过这种效应，可以改变驱动力以实现基于电压的磁化反转。
此次的研究证明，通过利用这种效应，可以控制原本不具有磁化特性的反磁体的自旋，而通过运用不同于铁磁体的原理，可以高效地控制自旋方向。这一发现为今后反磁体的自旋控制提供了方向，同时也为设计电压驱动型自旋电子学器件提供了纳米自旋材料的设计方向。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：NPG Asia Materials vol. 16, article number: 20 (2024).
论文：Giant gate modulation of antiferromagnetic spin reversal by the magnetoelectric effect
DOI：10.1038/s41427-024-00541-z
