Антиферромагнетики превзошли ферромагнетики в сверхбыстрой энергоэффективной памяти

Пример компоновки и измерительной системы. Автор: Science (2025). DOI: 10.1126/science.ado1611

Достижения в спинтронике привели к практическому использованию магниторезистивной оперативной памяти (MRAM) — энергонезависимой технологии памяти, поддерживающей энергоэффективные полупроводниковые интегральные схемы.

В последнее время антиферромагнетики — магнитные материалы без результирующей намагниченности — привлекают всё больше внимания как перспективные дополнения к традиционным ферромагнетикам. Хотя их свойства были тщательно изучены, убедительные демонстрации их технологических преимуществ оставались неуловимыми.

Теперь исследователи из Университета Тохоку, Национального института материаловедения (NIMS) и Агентства по атомной энергии Японии (JAEA) представили первые убедительные доказательства уникальных преимуществ антиферромагнетиков.

Их исследование показывает, что антиферромагнетики обеспечивают высокоскоростные и высокоэффективные операции памяти в гигагерцовом диапазоне, превосходя своих ферромагнитных аналогов. Результаты были опубликованы в журнале Science.

Команда использовала хиральный антиферромагнетик Mn₃Sn, чьи спины образуют неколлинеарную структуру, в качестве среды для записи цифровой информации. Они изготовили наноразмерное устройство с точкой Mn₃Sn и успешно вызвали когерентное вращение его антиферромагнитной текстуры с помощью электрических токов. Это позволило осуществлять быстрое и высокоточное управление спиновым упорядочиванием.

Система достигла эффективного переключения с помощью 0,1-наносекундных импульсов тока — быстрее, чем любое ферромагнитное устройство — при этом не требуя внешнего магнитного поля. Примечательно, что устройство продемонстрировало 1000 безошибочных циклов переключения — уровень надежности, недостижимый для ферромагнетиков.

(a) Вероятность переключения в зависимости от плотности тока и длительности импульса. (b) Иллюстрация динамики переключения (обратного переключения) через когерентное вращение спинов хирального антиферромагнетика. (c) Демонстрация 1000/1000 переключений. (d) Зависимость нормированного тока переключения от длительности импульса в хиральном антиферромагнетике, обычных ферромагнетиках и ферримагнетиках. Автор: Science (2025). DOI: 10.1126/science.ado1611

«Достижение 1000 переключений из 1000 попыток с 0,1-наносекундным импульсом тока при нулевом магнитном поле было недостижимо для ферромагнетиков — но, как оказалось, не для антиферромагнетиков», — заявил Ютаро Такеути, ведущий автор статьи.

«Это преимущество антиферромагнетиков проистекает из качественного различия в их динамике переключения», — пояснил Юта Ямане, руководивший теоретическим моделированием.

«В обычных ферромагнетиках намагниченность претерпевает трёхмерное прецессионное движение. В отличие от этого, антиферромагнитное переключение завершается посредством двумерного вращения хиральной спиновой структуры с эффективной инерционной массой — ключевым фактором, не наблюдаемым в ферромагнетиках».

Сюнсуке Фуками, руководитель проекта, подчеркнул: «Исследователи в последние годы показывали, что антиферромагнетики могут делать то, что могут ферромагнетики. Наша работа впервые показывает, что антиферромагнетики могут делать то, что ферромагнетики не могут».

Эти результаты знаменуют собой значительный шаг к созданию полупроводниковых устройств следующего поколения на основе антиферромагнетиков.

Открыв сверхбыстрое и энергоэффективное переключение без внешних полей, исследование открывает новые пути для создания спинтронной памяти и логических устройств, продвигая создание высокопроизводительной и малопотребляющей электроники.

Больше информации: Yutaro Takeuchi et al, Electrical coherent driving of chiral antiferromagnet, Science (2025). DOI: 10.1126/science.ado1611

Источник: Tohoku University