反鐵磁器件離我們越來越近

1. 引子

我們的先人用他們的足跡告訴我們，人類對電和磁的感受和認(rèn)識應(yīng)該與人類一樣長久。直到近代，現(xiàn)代電磁學(xué)才將電和磁的本質(zhì)闡述清楚，構(gòu)建了現(xiàn)代的信息與能源社會。因此，從任何意義上強(qiáng)調(diào)磁給我們?nèi)祟惖母Ｒ舳疾粸檫^。反過來，人類為了豐富自己的生活，利用磁效應(yīng)來實現(xiàn)各種魔幻生活的事例也比比皆是。這種頗具想象力的電磁生活永遠(yuǎn)也不會停止、永遠(yuǎn)都有驚奇與驚嘆，如此才將人類與一般動物區(qū)分開來。

到了今天，所有讀者都一定相信：磁性既展現(xiàn)出豐富的物理，也在被科技武裝到牙齒的現(xiàn)代生活中有著深刻體現(xiàn)。為了博取看君的眼球，我們在圖1 展示日本一家小企業(yè)利用磁懸浮來開發(fā)的一種園藝作品，在圖2 則展示利用磁流體來吞噬平板上的一塊磁性金屬塊。這些磁藝術(shù)作品，多有令人開懷與稱贊之用、活化我們每日沉悶的時光。

圖1. 一家日本公司利用磁懸浮來創(chuàng)造家中的園藝 (gif 動畫)。

圖2. 一種磁流體吞噬磁性金屬方塊 (gif 動畫)。

當(dāng)然，如果用科學(xué)的語言去描述，我們知道：物理上，磁性材料是凝聚態(tài)和統(tǒng)計物理的寵兒和重點關(guān)愛對象；應(yīng)用上，小到各種冰箱貼、醫(yī)療核磁共振，大到磁懸浮列車、暗物質(zhì)探測、熱核聚變，都離不開磁的身影。近現(xiàn)代最著名的高科技實例當(dāng)屬巨磁電阻效應(yīng) (GMR) 在信息存儲上的應(yīng)用。這一應(yīng)用極大提升了我們的生活水平和幸福指數(shù)，瑞典人獎勵發(fā)現(xiàn)者兩塊諾貝爾物理獎的牌子 (2007 年) 并不為過。

所有這些，無非是提示筆者和讀者，人類對磁 (電亦如此) 的認(rèn)識和利用就如人生時光一般，既沒有開始，亦沒有終點。

2. 反鐵磁的青澀

就文字記載而言，人類對磁性的認(rèn)知已有超過2000年的悠久歷史。迄今為止，從應(yīng)用角度，我們所討論的基本上都著重于鐵磁性材料。簡單講，鐵磁性體系中自旋平行排列，具有宏觀凈磁矩，因此最能向外部展示磁的基本特性，易于被探測和感知。近代歷史上所有與磁有關(guān)的應(yīng)用都基于鐵磁性被探測和被感知。因此，近現(xiàn)代磁學(xué)教程基本上都是鐵磁性的世界，道理即是如此。

顯然，自旋可以平行排列，當(dāng)然也可以反平行排列，還可以不平行排列。那些不再展現(xiàn)宏觀磁矩的磁體或磁性，被稱之為反鐵磁。雖則與鐵磁性相對應(yīng)，但自然界中反鐵磁體比鐵磁體要多得多。反鐵磁態(tài)作為一種性質(zhì)在實際功能應(yīng)用中最多也就是跑龍?zhí)椎慕巧?，比如高溫超?dǎo)的母體、比如自旋閥的釘扎層，等等。正因為如此，雖然反鐵磁和鐵磁是一母所生的同胞兄弟，但人類認(rèn)知反鐵磁的歷史遠(yuǎn)比認(rèn)識鐵磁的短，大約起始于1930年代，迄今不到100年。這種巨大的認(rèn)知差異是有道理的，主要?dú)w因于反鐵磁體沒有宏觀磁矩，無法與外部世界蕓蕓眾生之間建立探測、感知和驅(qū)動的“磁場”。

對反鐵磁的認(rèn)知主要得益于現(xiàn)代中子散射技術(shù)的發(fā)展，由此我們能夠“看到”材料中自旋的排列方式，從而確認(rèn)反鐵磁序的真實存在。Louis Néel先生1930年代就揭示了反鐵磁性的奠基性工作，但直到1970年才因此獲得諾貝爾物理獎，其原因也許就在于反鐵磁沒多大用處，除了理論上的意義。圖3展示了一個二維三角點陣中海森堡自旋系統(tǒng)的基態(tài)磁結(jié)構(gòu)，要知道獲得如此這般的磁結(jié)構(gòu)可是理論凝聚態(tài)物理和理論磁學(xué)的重要進(jìn)展。

圖3.三角點陣中海森堡自旋長程序組態(tài)。

也許是諾貝爾獎的激勵，也許是人們對鐵磁的理解已經(jīng)接近圓滿，那些不安分的物理人開始更多地關(guān)注反鐵磁性。梳理前因后果，可以看到相關(guān)研究大多還是集中于基礎(chǔ)性工作。因為實驗上反鐵磁序探測與操控的困難，技術(shù)上去利用反鐵磁來做什么很是不妙，很多嘗試似乎在冥冥之中不了了之。

好吧，即便如此，反鐵磁及其研究總算由小汪小溪進(jìn)入到磁學(xué)的主流中了。既然進(jìn)入，就有機(jī)會興風(fēng)作浪！

圖4.不同構(gòu)型的反鐵磁序。(a)經(jīng)典反鐵磁序：自旋嚴(yán)格反平行排列。(b)、(c)分別示意Bloch型和Néel型斯格明子(Nature Mater. 14, 1116 (2015))。斯格明子一大特征是能在電流驅(qū)動下移動。(d)自旋呈三角形格子排列。Mn3Sn具有這種三角磁格子，表現(xiàn)出反常Hall效應(yīng)(Nature 527, 212 (2015))。(e)螺旋自旋序是產(chǎn)生磁致多鐵性的典型自旋構(gòu)型(Journal of Physics: Condensed Matters 7, 8605 (1995))。

3. 反鐵磁亦啟程

曾經(jīng)有一篇綜述文章(Advancesin Physics 64, 519 (2015))開頭寫到：

We do not do the possible

While we do do some impossible

When an impossible goes to the possible

We are then asked what the possible deserves for

這首詩的思想很好地詮釋了反鐵磁研究領(lǐng)域近些年來的發(fā)展歷程。

例如，一些曾經(jīng)只屬于鐵磁體的效應(yīng)(自旋極化電流、反常Hall效應(yīng)等)，也能夠在反鐵磁體中實現(xiàn)。過去若干年這方面的理論預(yù)言和實驗觀測并不少見。沿著這一方向，現(xiàn)在物理人也逐漸能夠利用磁場、電場、光場等多種方式來調(diào)控反鐵磁序，同時也能夠利用磁電阻等效應(yīng)來讀取反鐵磁序。在反鐵磁排列方式上，物理人也早就將目光轉(zhuǎn)到那些非共線的反鐵磁模式，不再嚴(yán)格遵守自旋反平行排列的古板要求。最近備受關(guān)注的那些螺旋進(jìn)動、海森堡三角、及至空間拓?fù)?渦旋、斯格明子)等等，都進(jìn)入物理人的視界。
幾個典型實例顯示于圖4。這些材料、現(xiàn)象、以及物理太過于豐富，以至于形成了很多新的研究領(lǐng)域。典型的領(lǐng)域包括：多鐵性已蓬勃發(fā)展近20年，核心創(chuàng)新乃非共線磁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生鐵電極化；磁性斯格明子已稱為磁學(xué)人的新寵；自旋冰也成為物理人實現(xiàn)磁單極夢想的希望；如此等等。

雖然這些現(xiàn)象和物理本身紛繁復(fù)雜，但從應(yīng)用角度，大家有著一個共同的指向：將反鐵磁納入光電子信息科學(xué)的麾下！這一次，推動這一指向變?yōu)闈撛诂F(xiàn)實的，好像不是米國人、不是日本人和西歐人，而是中東歐捷克物理研究所的T. Jungwirth等一幫人。

反鐵磁自旋電子學(xué)也在這樣一個大的背景下應(yīng)運(yùn)而生。筆者以為，稱呼antiferromagnetronics似乎更為簡潔明了，而不要antiferromagnetic spintronics那么啰嗦！

圖5.鐵磁和反鐵磁作為存儲單元時，雜散場對存儲密度影響顯著 (圖片來自網(wǎng)絡(luò))。

好吧，既然是反鐵磁電子學(xué)，從信息存儲和處理的角度來說，反鐵磁體有什么稟異之處？有的，反鐵磁電子學(xué)至少有如下四大獨(dú)特魅力：

高度穩(wěn)定性：來源于反鐵磁體不表現(xiàn)出宏觀磁矩，因而對外界擾動不敏感(impossible--- possible轉(zhuǎn)變)。

適用于高密度信息存儲：如圖5所示，反鐵磁中自旋反平行，不會對遠(yuǎn)處釋放任何雜散磁場去影響近鄰。這是典型的綠色環(huán)保自潔凈的存儲讀寫模式，因而信息存儲單元可以非常小。2012年，Loth等人在8個Fe原子組成的反鐵磁鏈上獲得了雙穩(wěn)態(tài)，令人擊掌(Science 335, 196 (2012))。

快速信息處理：反鐵磁體中的自旋動力學(xué)響應(yīng)在THz范圍，遠(yuǎn)高于鐵磁體中的響應(yīng)頻率( ~ GHz范圍)。

品種多、花樣豐富：相比于鐵磁體，反鐵磁體在自然界中有著更為廣泛的分布，品種也多很多，而且自旋構(gòu)型非常多樣化。

這樣一些優(yōu)勢似乎非常契合當(dāng)前信息科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展目標(biāo)，因此正在吸引大量物理人的注意。2018年3月，Nature Physics用了大量版面來討論反鐵磁電子學(xué)的方方面面。Review of Modern Physics也同期出版題為Antiferromagnetic spintronics的綜述。

4. 反鐵磁電子學(xué)

誠然，要把反鐵磁作為自旋電子學(xué)介質(zhì)的優(yōu)勢兌現(xiàn)，遠(yuǎn)不是那么容易的事情。作為信息存儲單元，反鐵磁序的操控和讀取是最基本的兩個方面。用電學(xué)來讀寫感知可能是最為簡潔方便的模式。短短十年不到，物理人已經(jīng)可以通過多種方式來調(diào)控反鐵磁序，實現(xiàn)多重狀態(tài)，雖然這方面仍有很大的優(yōu)化和提升空間。作為一個例子，圖6展示了發(fā)布在Nature Physics上的一篇綜述文章總結(jié)出來的一幅電控反鐵磁電子學(xué)的宏偉愿景，顯示出物理人合縱連橫的本事和才華。

我們遵循這一模式，邁出了一小步、稍不尋常的一小步。

圖6.反鐵磁電子學(xué)中信息探測與操控的基本模式。

看君明白，在信息讀取上，受傳統(tǒng)GMR效應(yīng)所獲成功到刺激，一個自然的想法是構(gòu)建反鐵磁為主體的多層膜結(jié)構(gòu)，獲得反鐵磁主導(dǎo)的GMR效應(yīng)(簡稱AFM - GMR)。筆者不才，不敢貪功貪多，姑且只是沿著這一小道去做點工作。

事實上，相關(guān)的理論計算證實了這一想法的可行性，預(yù)言AFM– GMR的幅度原則上可與傳統(tǒng)GMR效應(yīng)相比擬。不同的是，傳統(tǒng)GMR效應(yīng)包含有顯著的層內(nèi)散射，而AFM – GMR則是純粹的界面效應(yīng)。例如，在反鐵磁／金屬／反鐵磁三明治結(jié)構(gòu)中，如果界面處的自旋是極化的，則當(dāng)兩個界面的極化自旋平行時，系統(tǒng)具有低電阻態(tài)；相反，如果反平行，則具有高電阻態(tài)。這完全符合傳統(tǒng)自旋散射輸運(yùn)物理，但局限于界面發(fā)生。

然而，正是這一局限，給實驗探索帶來了很大困難。實驗上獲得(接近)完美的界面狀態(tài)極具挑戰(zhàn)；或者說只有少數(shù)腰纏萬貫的物理人可以用超高水準(zhǔn)的MBE技術(shù)能夠做到，而物理人卻多是囊中羞澀之輩。這方面比較成功的例子當(dāng)屬2011年在 NiFe / IrMn / MgO / Pt反鐵磁異質(zhì)結(jié)中觀測到160 %的各向異性磁電阻效應(yīng)(AMR)。然而，相關(guān)的重復(fù)實驗表明，這一結(jié)果強(qiáng)烈依賴于樣品，甚至在同一樣品中循環(huán)測量得到的結(jié)果可以顯著不同。

科學(xué)研究的目的就是前進(jìn)、有條件前進(jìn)、沒有條件創(chuàng)造條件亦前進(jìn)！但偶爾，邁向這個目標(biāo)的有效途徑之一卻是回頭看。例如，多鐵性與磁電耦合在1960年代受到不少關(guān)注。之后，這一領(lǐng)域沉寂數(shù)十年，直到新世紀(jì)初才再次回歸人們的視野，并成為凝聚態(tài)與材料科學(xué)的熱門領(lǐng)域。Néel先生在獲得諾獎時雖然對反鐵磁性表現(xiàn)出一定的“失望” (interesting but useless)，但他同時也指出(現(xiàn)在已是教科書知識)：與自發(fā)磁化成平方關(guān)系的效應(yīng)應(yīng)該同樣存在于鐵磁體系和反鐵磁體系中。

磁晶各向異性能是自旋取向的偶函數(shù)，因此通吃鐵磁性和反鐵磁性，符合Néel先生預(yù)想。這一能量項在電輸運(yùn)上對應(yīng)于各向異性磁電阻AMR。如圖7所示：當(dāng)自旋指向不同晶向時，由于磁晶各向異性能的作用，系統(tǒng)的態(tài)密度會有差異，從而出現(xiàn)電阻率的高低。這一效應(yīng)在強(qiáng)自旋-軌道耦合(SOC)體系中可以很大。2010年，捷克的那幫人理論預(yù)言反鐵磁體MnAu2和MnIr中自旋轉(zhuǎn)動時(5d金屬Au和Ir提供強(qiáng)自旋-軌道耦合)，態(tài)密度會發(fā)生顯著的變化，從而可能在自旋電子學(xué)中發(fā)揮重要作用。

這個理論預(yù)言物理圖像很清晰：增加反鐵磁體中的自旋-軌道耦合，獲得顯著的各向異性態(tài)密度。展現(xiàn)這一圖像的材料看起來難度不大，例如在磁性合金中熔入貴金屬即可。確實，在此之后，不少體系中都觀測到了反鐵磁性AMR效應(yīng)。然而，事情總是一波三折，這些實驗觀測到的AFM – AMR數(shù)值普遍很小( < 1 %)。這么小的數(shù)值，對于已經(jīng)習(xí)慣了?GMR?的物理人顯然是不會滿意的，對于實現(xiàn)高密度快速信息存儲的“宏偉”目標(biāo)顯然也是不能接受的。

看君注意到，反鐵磁各向異性磁電阻(AFM– AMR)信號小這一問題，近期頻繁出現(xiàn)于若多高端綜述／展望，看來還是很重要的。怎么辦呢？！

圖7.上圖示意反鐵磁自旋指向不同晶向時，由于磁晶各向異性能作用，可以利用AMR效應(yīng)讀取1和0兩個狀態(tài)。下圖顯示通過電流效應(yīng)，翻轉(zhuǎn)反鐵磁序，實現(xiàn)1和0兩個狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。圖中紅色和紫色箭頭表示自旋，金色線和箭頭表示電流(Nature Nanotech. 11, 231 (2016))。

5. 又是Sr2IrO4

要嘗試解決這么重要的問題，不妨再來回頭看看：

這些反鐵磁合金中，自旋-軌道耦合通常來自貴金屬，3d元素則提供磁性(因為磁矩大)。如果能將兩個因素集中到一種原子／離子上，或許能有所收獲。

AFM - AMR實驗觀測數(shù)值普遍小這一表象，可能暗示了物理上單純依賴于磁晶各向異性能還不夠，需要更多的物理因素參與進(jìn)來，共同作用。

形成反鐵磁類自旋閥結(jié)構(gòu)，也不一定是人工多層膜，可以是單相體系。其中，層狀鈣鈦礦錳氧化物(Ruddlesden - Popper化合物，有別于當(dāng)前火熱的低維材料)中就曾經(jīng)觀測到了很強(qiáng)的GMR效應(yīng)。這種層狀結(jié)構(gòu)類似于GMR多層膜，但“界面”質(zhì)量可以很高，因為人家是天然形成的。

尋找這樣的材料當(dāng)然不是那么容易。物理人尋找材料的歷程從來就是悲壯而幸運(yùn)的。悲壯是指物理人關(guān)注的絕大多數(shù)材料都是曇花一現(xiàn)，將效應(yīng)展示完了就使命完成。幸運(yùn)是指自然界有那么一些材料堪稱金牌，它們金身不壞、八面玲瓏、可風(fēng)可雨、山高水長。例如，半導(dǎo)體中的Si是如此、多鐵性中的BiFeO3是如此、當(dāng)下的石墨烯和碳納米管更是如此。它們無所不能、無所不包！

環(huán)視一周，筆者覺得反鐵磁材料Sr2IrO4也是如此。這一體系是Ruddlesden – Popper化合物之極品，其擁有的本事覆蓋很多學(xué)科。高溫超導(dǎo)物理就將這一體系作為超導(dǎo)母體的對象，在其中翻手為云覆手為雨，解剖了多年。

很有意思的是，對AFM – AMR，Sr2IrO4似乎是個不錯的選擇：Ir提供磁性和強(qiáng)自旋-軌道耦合，并且這個材料是層狀結(jié)構(gòu)，如圖8所示。意外的收獲是：Sr2IrO4好象也是銥氧化物中凈磁矩最大的。

圖8. (a) Sr2IrO4的層狀結(jié)構(gòu)示意圖：由IrO6八面體層和SrO層(未顯示)沿c軸堆垛而成。(b) Ir磁矩反鐵磁排列，但呈現(xiàn)一定的傾斜角，使得層內(nèi)出現(xiàn)凈磁矩(綠色箭頭)。磁場作用下，沿c軸反鐵磁排列的凈磁矩被翻轉(zhuǎn)，形成鐵磁排列狀態(tài)。(c)對應(yīng)磁化上出現(xiàn)快速上升，而電阻則顯著下降，類似于GMR效應(yīng)。這一效應(yīng)呈現(xiàn)出面內(nèi)的各向異性特征。

圖9. (a) Sr2IrO4中各向異性磁電阻效應(yīng)在0.1 T

基于這一想法，筆者與華中科技大學(xué)、東南大學(xué)、南京大學(xué)、武漢大學(xué)和美國Rutgers大學(xué)的同行合作，深入研究了Sr2IrO4單晶中的各向異性磁電阻效應(yīng)。通過實驗測量，我們看到晶體中的AMR數(shù)值可以高達(dá)160 %。而借助于理論挖掘，我們相信這一巨大效應(yīng)來源于類GMR效應(yīng)和磁晶各向異性能的共同作用(雙機(jī)制復(fù)合)。進(jìn)一步，利用微量Ga替代其中的Ir，我們也觀測到零磁場下的非揮發(fā)性記憶效應(yīng)，記憶阻態(tài)之間的轉(zhuǎn)換可以通過原位加磁場實現(xiàn)，如圖9所示。

這一工作最近以“Giant anisotropic magnetoresistance and nonvolatile memory in canted antiferromagnet Sr2IrO4”為題發(fā)表在Nature Communications 10, 2280 (2019)上?？淳幸?，可點擊本文最后的“閱讀原文”，御覽其中端倪。筆者相信，其中故事還是有血有肉的。