磁性材料包括能夠產生宏觀磁化的鐵磁材料和在原子水平上具有磁性但在宏觀上不顯示磁性的反磁性材料。在自旋電子學領域，迄今爲止一直使用鐵磁材料來實施資訊的非易失性存儲。然而，如果能夠利用反磁性材料的自旋，就有望在太赫茲區域的運行速度上實施比鐵磁材料器件高出2～3個數規模的提升。因此，世界各地都在積極開展這項技術的研究。大阪大學研究生院工學研究科的白土優副教授、研究生（研究當時）氏本翔、研究生鮫島寬生、名古屋大學研究生院工學研究科的森山貴廣教授、三重大學研究生院工學研究科的中村浩次教授、關西學院大學工學部的鈴木基寬教授、高輝度光科學研究中心的河村直己主幹研究員等人組成的聯合研究團隊，針對鉻氧化物Cr₂O₃反磁體薄膜，開發了一種可低功耗且高速驅動的電壓自旋控制技術，成功將其控制效率提高到傳統鐵磁材料的50倍以上。相關研究成果已發表在《NPG Asia Materials》上。
圖1（a）本研究中使用的含有鉻氧化物的器件模式圖。當施加電壓時，向上及向下的自旋的大小發生變化；（b）在固定磁場狀態下僅改變電壓，訊號（霍爾電壓）因自旋反轉而改變的情況；（c）與施加電壓對應的自旋反磁場調變（供圖：大阪大學）
研究團隊近期證明，透過將Cr₂O₃減薄至能夠強烈表現自旋資訊的奈米區域，可以控制反磁體的自旋，而要將其應用到器件中，則需要降低電壓控制所需的功率。然而，能夠用電壓控制的材料具有介電性，不能直接通過量電壓來控制磁性。
鑑於此，研究人員將目光投向了磁場電效應（磁性和介電性的耦合效應）。這是一種通過量電壓改變晶活體內磁性離子的自旋狀態，從而使磁性離子產生行程（介電性）的效應，也適用於反磁體。
研究團隊利用這種效應，嘗試用電壓控制Cr₂O₃薄膜的自旋。結果表明，在不改變磁場的情況下，僅通過量電壓變化即可反轉反磁體的自旋方向。自旋反轉條件可以通過量電壓或磁場的強度進行改變，其調變效率比使用傳統鐵磁材料時高出50倍以上。此外，研究還明確了可以根據電壓方向選擇自旋的方向，這也證實了該技術未來應用於存儲操作的潛力。
爲了闡明觀察到的現象的起源，研究人員在大型同步輻射設施Spring-8上進行了元素選擇性磁測量（X射線磁圓偏光二色性測量），證實了位於Cr₂O₃電極金屬（Pt）界面處的鉻自旋發生了反轉，這對於基於磁場電效應的磁性控制起到重要作用。此外，研究人員從在鐵磁體中觀測到的金屬膜（Pt）本身的磁性效應小到可以忽略不計的這一點出發，發現了觀測到的高效自旋控制具有不同於傳統鐵磁體的機制。
此外，以往人們認爲，電磁效是即使在磁性材料中也在特殊材料中產生。但透過實驗結果分析和運用第一原理計算的理論考察，研究人員發現，在反磁體和金屬的界面處，可以利用不同於晶活體內部的原理誘發磁場電效應，這爲將該技術應用於其他材料系統提供了指導。
爲了改變磁化的方向，改變磁化方向的驅動力必須超過固定在該方向上的能壘高度。驅動力由磁化和磁場的乘積決定。反磁體由於不具備磁化特性，幾乎沒有驅動力。這就是人們一直認爲「反磁體的自旋無法控制」的終極因數。在鐵磁體方面，通過量電壓降低能壘的研究正在不斷取得進展。
研究團隊關注的磁場電效應，則是一種通過量電壓暫時產生宏觀磁化的效應。透過這種效應，可以改變驅動力以實施基於電壓的磁化反轉。
此次的研究證明，透過利用這種效應，可以控制原本不具有磁化特性的反磁體的自旋，而透過運用不同於鐵磁體的原理，可以高效地控制自旋方向。這一發現爲今後反磁體的自旋控制提供了方向，同時也爲設計電壓驅動型自旋電子學器件提供了奈米自旋材料的設計方向。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：NPG Asia Materials vol. 16, article number: 20 (2024).
論文：Giant gate modulation of antiferromagnetic spin reversal by the magnetoelectric effect
DOI：10.1038/s41427-024-00541-z
