康奈爾大學科學家在測量和控制氧化鎳中的自旋方面進行了新嘗試，著眼于提高電子設備的速度和存儲容量。其研究論文《反鐵磁性Pt/NiO異質結構中自旋-扭矩轉換的自旋Seebeck成像》發(fā)表在《物理評論X》期刊上。

研究作者Greg Fuchs是應用和工程物理學副教授，其專業(yè)之一是自旋電子學--研究自旋(一種可以記錄信息的角動量)：控制電子的磁性。Fuchs和研究團隊正在努力了解如何測量和操縱這種磁性。

Fuchs開創(chuàng)了一種名為磁熱顯微鏡的技術，而不是用傳統(tǒng)形式的磁性顯微鏡測量磁性，其中材料受到光、電子或X射線的轟擊。在這種方法中，熱量被施加到微小區(qū)域中的材料上，并且該區(qū)域中的磁性由產生的電壓來測量。這使得研究團隊可以看到當操縱磁性材料的自旋時會發(fā)生什么。研究人員一直在探索反鐵磁性材料，這類材料的獨特之處在于，它們各自的磁性元素（即根據方位記憶信息的微小片段）不會產生磁場。

因此，可以緊密地包裝在一起而不會相互干擾，從而潛在地實現了高密度存儲。反鐵磁體是更快的鐵磁體兄弟，更傳統(tǒng)的磁性材料，確實會產生磁矩，反鐵磁體具有運行速度快一千倍的潛力。但是理解反鐵磁性材料的行為并不容易，反鐵磁性材料很難研究，因為每隔一個自旋點都在相反的方向，所以沒有凈磁化。它不會產生磁場，并不真正符合傳統(tǒng)的磁場測量方法。有專門的X光設備可以做到這一點，但數量不多，這就限制了可以進行的測量，所以選擇很少。

研究團隊通過挑選合適的反鐵磁性材料（氧化鎳）設計了一個巧妙的最終解決方案，它包含多個自旋面，每隔一個自旋面的自旋指向相反的方向。在鉑和氧化鎳的夾層中，邊界上的自旋全部平行排列，使得研究人員可以使用熱流來測量自旋的方向，而不會抵消信號。這種被稱為“界面自旋Seebeck效應”的效應以前已經在鐵磁金屬和絕緣體中得到證實，但只在反鐵磁體中進行了理論推導。以前沒有人演示過它，更不用說用標準桌面實驗室設備來對反鐵磁性樣品進行成像了。

反鐵磁體成像使科學家能夠在顯微鏡下觀察它們對外部刺激(如電流)的反應。該研究的主要作者、應用物理學博士生以賽亞·格雷(Isaiah Gray)說：這些細節(jié)在試圖制造反鐵磁記憶體裝置時至關重要。通常認為反鐵磁體是一個相當堅硬的堅果，這樣一個相對簡單的方法能奏效，實屬令人驚訝。這開啟了一個全新的領域，可以在反鐵磁性裝置中做什么，現在科學家們可以控制這些材料的紋理，然后看看自旋是如何定向的。

博科園｜研究/來自：康奈爾大學

參考期刊《物理評論X》

DOI: 10.1103/PhysRevX.9.041016

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