八极驱动的反铁磁隧道结自旋力矩翻转

《Nature》：Octupole-driven spin torque switching of antiferromagnetic tunnel junctions

　　

摘要

基于铁磁体的磁性隧道结是自旋电子学中的经典器件，在数据存储、计算和传感等领域有着广泛的应用。它们分别通过隧穿磁阻（TMR）^1,2,3,4,5和自旋转移力矩^6,7,8,9效应，同时实现了磁序的电学检测和控制机制。长期以来人们假设，由于全反铁磁隧道结（AATJs）没有净磁化强度，这两种效应都无法在其中产生显著效果。然而，最近的研究表明，基于手性反铁磁体的AATJs确实表现出TMR效应，这归因于其非相对论性的动量依赖自旋极化和簇磁八极矩，这些都是其自旋劈裂能带结构的体现^10,11,12,13。然而，其逆效应——即自旋转移力矩的反铁磁对应物——被认为是不存在的，因为总电流是自旋中性的。在此，我们报道了能够展现这种逆效应的纳米尺度AATJs，我们将其命名为八极矩驱动的自旋转移力矩（OTT）。我们展示了PtMn₃|MgO|PtMn₃ AATJs中由电流诱导的OTT切换，室温下TMR值为363%，切换电流密度约为10 MA cm^–2。我们的理论建模从AATJ中子晶格内和子晶格间自旋电流的不平衡角度解释了OTT的起源，等价地，也从每个PtMn₃层非零的净簇八极矩极化角度进行了解释。本工作为反铁磁自旋电子学建立了一个新的材料平台，并为深度缩放的磁存储和室温太赫兹技术提供了一条途径。