东北大学和麻省理工学院(MIT)的研究人员发现，当电流作用于一种被称为非共线反铁磁体的新型磁性材料时，反常动力学的典型效应正在发挥作用。他们的研究结果发表在2023年8月3日的《自然材料》杂志上。
近年来，非共线反铁磁体引起了人们的广泛关注。它们具有与传统磁性材料不同的特性——在传统共线磁铁中，磁矩以共线方式排列。然而，在非共线的情况下，力矩在彼此之间形成有限的角度。科学家们将这些非共线排列描述为一个单阶参数，即八极矩，它已被证明是决定材料奇异特性的关键。
研究人员发现，八极矩对电流表现出不同寻常的反应，即它的旋转方向与一般磁铁的顺序参数相反。发现这种异常源于电子自旋与非共线反铁磁体独特的手性自旋结构之间的相互作用。
“非共线反铁磁体的奇特物理特性使其在信息技术硬件中的应用具有广泛的潜力，”该研究的主要作者、东北大学的博士生Ju-Young Yoon说。“我们的发现为自旋电子器件(如存储器和振荡器)提供了基础。”
SpintroNics是一门交叉学科，它利用电子的自旋来电操纵磁性，从而使我们的电子Nic设备更快，更小，更高效。大约在2000年，共线铁磁体(一般称为磁体)的电流感应磁化开关被证明。这一发现导致了最近高性能存储器的商业化。所谓的自旋转移转矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)有望在未来的低碳排放技术中发挥关键作用。
非共线反铁磁体已成为自旋电子学界关注的焦点。尽管它的磁化强度很小，但它的手性自旋结构引起了显著的类似铁磁体的性质，如巨大的反常霍尔效应。这种现象已知可以用八极矩来描述，人们可以用它来类比铁磁体中的磁化。
虽然在过去的二十年中，电流驱动的磁化动力学已经很好地建立了，但八极子动力学的情况并非如此，需要进行系统的研究。
为了提供这一点，研究人员检查了非共线反铁磁锰锡(Mn3Sn)中八极矩的响应。通过施加磁场和电流，他们将其与铁磁体钴铁硼(CoFeB)的磁化强度进行了比较。磁场驱动和电流驱动情况下的磁化开关方向相同，而非共线反铁磁体的八极矩开关方向相反。
通过更深入的分析，他们揭示了两个系统的单个磁矩沿同一方向旋转，但由于非共线反铁磁体独特的手性自旋结构，组合效应驱动八极矩沿相反方向旋转。
磁性材料的电气控制在自旋电子学中是至关重要的。我们已经为控制非共线反铁磁体提供了重要的见解，这与其完善的对立物，共线铁磁体的电气控制不同，”麻省理工学院的刘路桥教授说。
东北大学的Shunsuke Fukami教授对此表示赞同，并补充说:“STT-MRAM的商业化是通过对磁化和电流之间相互作用的严格理解实现的。在这方面，这项工作应该为开发具有非共线反铁磁体的功能器件奠定坚实的基础。”
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