利用自旋翻转隧穿各向异性磁阻实现共线反铁磁隧道结中的巨磁阻效应

为解决共线反铁磁材料中磁序电学探测困难的问题，研究人员开展了基于RuO2/MgO/RuO2全外延隧道结的自旋翻转隧穿各向异性磁阻（TAMR）研究，在室温下实现了高达60%的TAMR比率，并通过第一性原理计算揭示了界面共振态与强自旋轨道耦合（SOC）的协同增强机制，为反铁磁自旋电子学器件提供了新范式。

　　

在自旋电子学领域，反铁磁材料因其零杂散场、抗外界干扰和超快动力学特性而备受关注。然而，共线反铁磁材料中磁矩的交替排列导致净磁矩为零，使得电学探测成为长期存在的挑战。传统检测方法如反常霍尔效应或各向异性磁电阻（AMR）产生的信号极其微弱，严重限制了反铁磁器件的实际应用。

为解决这一难题，北京航空航天大学的研究团队在《Nature Communications》发表了创新性研究成果。他们设计并制备了全外延RuO₂(10 nm)/MgO(2 nm)/RuO₂(20 nm)反铁磁隧道结（AFM-TJ），通过巧妙的器件结构设计和外场调控，实现了基于自旋翻转效应的隧穿各向异性磁阻（TAMR）的室温高效探测。

研究采用分子束外延技术在SrTiO₃(STO)(001)衬底上生长高质量单晶薄膜，通过X射线衍射（XRD）和扫描透射电子显微镜（STEM）表征晶体结构，利用综合物性测量系统（PPMS）进行电输运测量，结合X射线磁线性二色性（XMLD）和第一性原理计算验证反铁磁序和电子结构特性。

晶体结构与器件表征

透射电子显微镜图像显示RuO₂/MgO界面具有原子级平整度，晶格常数为4.5 ?。选取电子衍射（SAED）证实顶部和底部RuO₂均为(100)取向的单晶结构，MgO隧道势垒为(110)取向，实现了良好的晶格匹配。X射线反射（XRR）和原子力显微镜（AFM）测量显示薄膜厚度和表面粗糙度与设计值一致。

自旋翻转磁阻效应

当沿[001]轴施加扫描磁场时，在室温下观察到明显的磁阻回线。自旋翻转（SP）场H_sp大于5 T，在零场下RuO₂的奈尔矢量保持面内取向，对应隧道结的平行态和低电阻态。在6 T磁场下发生自旋翻转，转变为垂直态和高电阻态。X射线吸收光谱（XAS）在Ru L_2,3边显示大磁场下的显著信号变化，证实了自旋重构。

TAMR角度依赖性与温度特性

通过改变面内磁场与[001]轴的夹角θ，系统研究了TAMR的角度依赖性。当磁场与奈尔矢量平行时观察到60%磁阻，垂直时磁阻为零，验证了面内反铁磁磁晶各向异性。磁阻的角度依赖关系符合sin2θ函数，表明二重对称性。温度依赖测量显示TAMR值从300 K的60%增加到3 K的73%，同时20 nm RuO₂的方块电阻随温度升高而增加，呈现金属性行为且无相变。

第一性原理计算与机制阐释

第一性原理电子输运计算揭示了TAMR的微观机制。对于化学势在费米能级E_F附近的未掺杂结构，面内和面外TAMR分别约为-5%和-10%。当掺杂使化学势下移0.2 eV时，TAMR显著增强至-50%，与实验值在幅度和符号上均一致。层分辨局域态密度（LDoS）计算显示，在E_F=-0.2 eV时界面态密度发生显著调制，表明界面共振态的存在。这种共振态与MgO势垒的隧穿传输以及Ru的强自旋轨道耦合（SOC）相结合，在氧掺杂的增强下产生了巨TAMR效应。

原子模拟与自旋动力学

原子模拟研究了RuO₂多层膜在磁场诱导下的自旋翻转动力学。建立RuO₂/MgO/RuO₂模型（A层10 nm，B层20 nm，MgO层2 nm），考虑磁各向异性、交换相互作用和界面效应。模拟显示，在9 T外场下，A层奈尔矢量偏转很小，而B层奈尔矢量发生翻转，自旋经历近90度切换，与实验观察到的开关行为高度一致。

研究结论表明，全外延反铁磁隧道结中的巨TAMR效应主要基于自旋翻转隧穿电阻。大磁场可有效翻转底部RuO₂层中Ru原子的自旋，而顶部RuO₂由于较大的自旋翻转场保持原始面内自旋结构。磁场扫描在±5 T附近发现两个明显的自旋翻转转变，与原子模拟结果一致。该工作通过实验测量、理论计算和模拟模拟的有机结合，证实了界面共振态、Ru的强自旋轨道耦合和氧掺杂效应共同导致TAMR的显著增强，深化了对共线反铁磁材料中隧穿效应的理解，推动了基于反铁磁材料的自旋电子学器件发展。

这项研究为具有两个共线反铁磁接触的结构中的隧道磁阻提供了新的视角，展示了纯反铁磁器件在室温下实现显著TAMR效应的潜力，有效避免了杂散场对反铁磁器件的干扰。虽然目前仍需依赖强磁场实现电控操作，但该工作为未来实现无场电流诱导写入的反铁磁隧道结奠定了基础，预示着高速、低能耗信息器件的变革性进步。