Новый тип туннельных переходов открывает путь к компактной и быстрой спинтронике

Антиферромагнитный туннельный переход с магнитосопротивлением, управляемым интерфейсом. Автор: Шао Динфу

Исследовательская группа под руководством профессора Шао Динфу из Института физики твёрдого тела Хэфэйского института физических наук Китайской академии наук обнаружила новый механизм достижения сильной спиновой поляризации с использованием интерфейсов антиферромагнитных металлов.

Их результаты, опубликованные в журнале Newton, предлагают третий прототип антиферромагнитного туннельного перехода (AFMTJ), открывая путь к созданию более быстрых и компактных спинтронных устройств.

По мере того как электроника требует меньших размеров, более высокой скорости и меньшего энергопотребления, спинтроника — использование как заряда, так и спина электрона — предлагает мощную альтернативу традиционным устройствам. Магнитные туннельные переходы (MTJ), ключевая технология спинтроники, уже используются в хранении данных, но сталкиваются с ограничениями из-за медленных скоростей отклика и нежелательных магнитных полей от их ферромагнитных компонентов.

Антиферромагнитные (AFM) материалы избегают этих проблем. У них нет чистого магнетизма, нет паразитных полей и гораздо более быстрые спиновые отклики, что делает их идеальными для будущих устройств. Однако современные AFM туннельные переходы зависят от специфических объёмных свойств, что значительно ограничивает выбор материалов.

В этом исследовании команда решала эту проблему, сместив фокус на интерфейсные эффекты, которые часто недооценивались. Они обнаружили, что, подавляя объёмные эффекты, определённые AFM материалы — особенно антиферромагнетики A-типа — могут проявлять сильную спиновую поляризацию на гладких и стабильных интерфейсах, даже если сам материал не имеет объёмных спиново-разделённых состояний.

Используя моделирование из первых принципов, команда разработала новый AFMTJ, состоящий из двумерного AFM металла A-типа (Fe₄GeTe₂) и изолирующего барьера BN. Несмотря на спиново-вырожденную природу зонной структуры Fe₄GeTe₂, значительные спиново-поляризованные токи возникли благодаря эффектам, управляемым интерфейсом. Эти токи оставались стабильными независимо от толщины электрода или чётности слоя, подтверждая их интерфейсное происхождение.

«Нескомпенсированные интерфейсы в антиферромагнетиках открывают новые возможности для ван-дер-ваальсовых гетероструктур»

Ключевым моментом стало то, что переход показал туннельное магнитосопротивление (TMR) почти 100% — на уровне традиционных конструкций — путём переключения относительной ориентации интерфейсных магнитных моментов. Этот подход расширяет диапазон материалов, пригодных для спинтронных устройств, особенно учитывая, что многие AFM материалы могут быть выращены с A-типом упаковки путём настройки направлений роста.

Комментируя работу, профессор Хосе Ладо (Университет Аалто) и профессор Сародж П. Даш (Технологический университет Чалмерса) написали в сопроводительном комментарии в Newton: «Нескомпенсированные интерфейсы в антиферромагнетиках открывают новые возможности для ван-дер-ваальсовых гетероструктур», — высоко оценив концептуальный прорыв и практическую значимость исследования.

Это исследование не только бросает вызов давнему убеждению, что объёмные эффекты необходимы для AFM спинтронных применений, но и закладывает основу для высокопроизводительных устройств с инженерным интерфейсом в пост-муровскую эру.

Больше информации: Liu Yang et al, Interface-controlled antiferromagnetic tunnel junctions, Newton (2025). DOI: 10.1016/j.newton.2025.100142