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研究背景

自旋電子學是利用電子的自旋自由度進行信息處理和存儲的一項技術，廣泛應用于數據存儲、微波器件和量子計算等領域。鐵磁材料在自旋電子學中得到了廣泛應用，其主要通過自旋注入驅動磁化進動，應用于自旋扭矩振蕩器、二極管等微波器件。然而，鐵磁材料在高頻應用中面臨著磁矩進動角度變窄和信號減弱等問題，這限制了其在高速和高靈敏度微波器件中的應用。與之相比，反鐵磁（AFM）材料在自旋電子學中展現出了優異的潛力。反鐵磁材料具有無磁化特性，能夠在不產生顯著信號衰減的情況下實現高頻進動，成為下一代高頻、自旋電子學器件的重要候選材料。然而，如何有效控制反鐵磁有序并實現微波電流調控仍然是一個巨大挑戰。

成果簡介

為了解決這一問題，東京大學Shoya Sakamoto，Shinji Miwa等研究者在Nature Nanotechnology期刊上發表了題為“Antiferromagnetic spin-torque diode effect in a kagome Weyl semimetal”的最新論文。該團隊設計并制備了W/Mn3Sn外延雙層結構，成功實現了反鐵磁自旋的相干旋轉，并利用直流自旋-軌道扭矩實現了這一過程的控制。通過精確調控自旋電流，研究人員實現了微波電流與反鐵磁自旋旋轉的高效耦合，產生了直流反常霍爾電壓。

這一效應被稱為反鐵磁自旋-扭矩二極管效應，并在10 GHz至30 GHz的頻率范圍內表現出良好的穩定性，輸出電壓僅減少10%。此外，數值模擬表明，整流信號來源于微波自旋-軌道扭矩對反鐵磁自旋旋轉頻率的快速調制。這一研究成果展示了反鐵磁材料在微波器件中的巨大潛力，為下一代高頻、高靈敏度自旋電子學器件的研發提供了新的思路，并可能為多路復用通信和神經形態計算等領域提供技術支持。

研究亮點

1. 本研究首次通過直流自旋-軌道扭矩誘導了W/Mn3Sn外延雙層中的反鐵磁自旋的相干旋轉，展示了微波電流與反鐵磁自旋旋轉的高效耦合。

2. 實驗通過微波自旋-軌道扭矩與反鐵磁自旋的耦合，產生了直流反常霍爾電壓，并提出了“反鐵磁自旋-扭矩二極管效應”這一新概念。實驗中，輸出電壓對頻率的依賴性較小，頻率在10 GHz到30 GHz之間變化時，輸出電壓僅減少了10%。這一現象歸因于交換相互作用對進動圓錐角的穩定化。

3. 數值模擬進一步揭示，整流信號源自微波自旋-軌道扭矩對易平面反鐵磁體中螺旋自旋旋轉的快速頻率調制，證明了該效應具有較高的可調性和靈敏度。

圖文解讀

圖1: 原子力顯微鏡自旋力矩二極管效應的概念。

圖2: 通過反鐵磁體AFM自旋力矩二極管效應的整流霍爾電壓。

圖3: 整流霍爾電壓的頻率依賴性。

圖4: 基于Landau–Lifshitz–Gilbert ，LLG方程的數值模擬。

結論展望

本文表明在容易面反鐵磁材料中，非共線自旋結構能夠在直流偏置電流作用下與微波電流有效耦合，產生整流的直流反常霍爾電壓。這一發現的關鍵在于，所生成的二極管電壓幾乎不受頻率影響，這歸因于交換穩定化的進動圓錐角度，暗示其潛在的應用可覆蓋更廣泛的頻率范圍，與傳統鐵磁材料相比具有顯著優勢。

盡管當前階段微波檢測靈敏度和工作頻率較低，但通過采用反鐵磁材料基的磁隧道結和提高自旋電流密度，可顯著改善這些問題，從而推動反鐵磁自旋電子學技術在更高頻率和更高靈敏度的設備中應用。該研究不僅拓展了自旋電子學的研究視野，還為未來高速信息處理與傳感器技術的發展提供了新的思路和理論基礎。

文獻信息

Sakamoto, S., Nomoto, T., Higo, T. et al. Antiferromagnetic spin-torque diode effect in a kagome Weyl semimetal.

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