东京大学研究生院理学系研究科的研究生朝仓海宽与肥后友也特任副教授、中辻知教授等组成的研究团队发现，备受关注的新一代非易失性存储材料——反铁磁外尔（Weyl）半金属Mn₃Sn的磁序可以通过交换偏置进行控制。该发现不仅向实现基于反铁磁体的超高速、超低功耗新一代存储器迈出了重要一步，还有望应用于类脑计算和多值记录等新原理运算中。相关研究成果已发表在期刊《Advanced Materials》上。
图1：MTJ元件构造（供图：东京大学）
为应对数据通信量的增长，在无需耗电即可保持数据非易失性的存储器——磁阻存储器（MRAM）的商业化和实用化进程正在取得进展。在MRAM内部，目前用于非易失性数据记录功能的磁隧道结（MTJ）元件使用的是铁磁体，而若能将其替换为反铁磁体，工作频率将从千兆赫兹频段跃升至太赫兹频段。因此，为了实现兼具非易失性（低功耗）和超高速性的存储器，研究人员正在积极开发适用于MRAM的反铁磁体。
此前，研究团队曾开发出一种具有重要拓扑电子态的反铁磁外尔半金属材料Mn₃Sn，并对其在MRAM应用中所必需的非易失性数据（磁性状态）的电写入和电读取性能进行了验证，证明Mn₃Sn是一种适合替代铁磁体的反铁磁性存储材料。
本次研究中，研究人员发现在Mn₃Sn与不同种类磁性材料的界面上会出现交换偏置，而且Mn₃Sn的磁性状态可以通过交换偏置进行控制。交换偏置作为稳定MTJ元件中特定铁磁层磁性状态的一个手段，在传统的MRAM中也被用于降低数据读写错误率和提高热稳定性。此次的研究成果表明，通过交换偏置稳定反铁磁性存储材料磁性状态，将在实现超高速、超低功耗存储器的基础上与写入、读取功能一样将发挥核心作用。
此外，本次的研究结果是在以溅射法在热氧化硅基板上制备的多晶材料之间的界面上获得的，这意味着可以使用与现有半导体和MRAM高度兼容的制造工艺来控制反铁磁体的磁性状态。此外，本次观察到的交换偏置本身也具有可在类脑计算和多值记录等新原理运算中应用的特殊性质，其应用有望推动高速、低功耗信息处理技术研究的进一步发展。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Advanced Materials
论文：Observation of Omnidirectional Exchange Bias at All-Antiferromagnetic Polycrystalline Heterointerface
DOI：10.1002/adma.202400301
