原标题：反铁磁材料为内存存储增加价值

　　最近对反铁磁材料霍尔效应的研究为下一代存储设备打开了大门。

　　多亏了一个国际科学家团队，反铁磁材料的霍尔效应 研究 取得了显着进展，为下一代存储设备增加了价值。

　　反铁磁材料由于电子自旋而表现出内部磁性，但基本上不存在外部磁场。它们没有外部磁场，可以存储更密集的位，这使它们成为数据存储的完美候选者。

　　相比之下，传统磁存储系统中使用的传统铁磁材料并非如此。在这种情况下，这些位会产生一个磁场，这使得保持它们的接近以防止相互作用变得具有挑战性。

　　反铁磁和铁磁材料的一个关键特性是霍尔效应，其中电压出现垂直于电流方向。电压的符号由向上或向下的箭头表示，因此由位 1 或 0 表示。在反铁磁材料中，这种效应已成为物理学的基础大约 10 年，有些东西尚未被发现。

　　来自日本东京大学、美国康奈尔大学和约翰霍普金斯大学以及英国伯明翰大学的一组研究人员提出了外尔反铁磁体 (Mn3Sn) 自发霍尔效应的解释。这一发现发表在《自然物理学》杂志上，对铁磁体和反铁磁体都有影响。

　　数码电子

　　数字计算的基础是读取、写入和删除二进制数据状态的能力。晶体管是一种半导体器件，可以在当今的集成电路中切换电信号，充当可以表示零或一的位。

　　因此，我们通常将晶体管称为基本逻辑门或数字设备。本质上，它充当存储单元。功率和处理能力的扩展是由小型化晶体管并将越来越多的晶体管安装到硅晶片上的能力推动的。

　　由于摩尔定律 正处于危险之中并且正在迅速接近一个关键障碍，因此科学家们正在争先恐后地寻找替代方案 。一个想法是弄清楚如何利用物质的量子态来执行二进制计算。

　　访问原子或电子的自旋状态是另一种选择。自旋电子学是一种允许使用电荷状态以外的状态进行读/写操作的计算类型。

　　对于量子计算、神经形态计算和大功率数据存储领域的发展，自旋电子器件具有潜在的影响。与传统设备相比，这些设备具有更快的数据处理速度和更大的晶体管密度。

　　电子自旋

　　电子的自旋——一个量子量——从本质上揭示了电子的角动量。虽然经典物理学中没有类似的量，但它通过比较让我们想起了粒子在自己的轴内的旋转。

　　这个数量的唯一可能值是 +1/2 和 -1/2，其中符号反映了两个潜在的方向，可能分别是“向上”或向上，或“向下”或向下。因此，电子可以被认为是微小的磁铁，它们围绕元素的原子核旋转，就像地球绕太阳运行一样。每个电子相对于原子核都有自己独特的自旋方向，可以在任一方向上对齐。

　　自旋是信息编码的完美选择，因为它只接受这两个值，类似于二进制代码如何使用位 0 和 1。因此，自旋电子学的概念，一种新颖的电子学形式被开发出来。

　　与二进制代码类似，电子的自旋态有上下两个值，分别相当于“0”和“1”。这些值允许以比现代晶体管中使用的硅技术更快的速度传输数字信息， 并且物理尺寸越来越小。

　　基于自旋电子学找到适合 PC 和智能手机的材料并满足两个要求——控制电子自旋方向的能力和“生命周期”自旋，或生命周期，足够长以允许信息通过——已被证明是困难的至今。

　　反铁磁材料

　　对于基于自旋电子学的系统的技术实现，有一类独特的材料(反铁磁体)具有微弱或可忽略的外部相互作用磁场——这对于存储设备的小型化至关重要。反铁磁体的主要性质基本上如下：

　　由于零外部磁化，对外部磁场不敏感。

　　与相邻粒子没有相互作用。

　　切换时间短(反铁磁共振是 THz 数量级，而不是铁磁体中的 GHz)。

　　广泛的反铁磁材料，例如半导体和超导体。

　　一种有趣的材料是半金属 Mn3Sn。对 Mn3Sn 越来越感兴趣是因为尽管它不是完美的反铁磁体，但它具有微弱的外部磁场。科学家团队想发现这种微弱的磁场是否是造成霍尔效应的原因。基本上，具有异常霍尔效应的反铁磁晶体几乎没有磁化。

　　图 1：Mn3Sn 的 120° 反手性磁结构和磁化 M 的压电控制及其方向与有序参数 K 的发散(来源： Nature Physics)(点击图片放大)

　　霍尔效应

　　霍尔效应中的带电粒子 横向漂移，垂直于外部磁场和导电方向。在异常霍尔效应中可以看到类似的行为，但由于导电材料的晶格结构会产生自己的磁场，因此不存在外部磁场。

　　异常霍尔效应使研究人员能够检查反铁磁体的特性，包括自发结合机械变形和磁矩感应的压电磁性。

　　一些反铁磁和亚铁磁晶体表现出一种称为压磁的现象：线性关系将其区分为系统的机械应变和磁极化。通过对压磁材料施加物理应变，可以引起自发磁矩，通过提供磁场，可以引起物理变形。

　　因此，与磁致伸缩不同，它允许对磁矩进行双向调节。与它的电表亲压电类似，如果它在环境温度下尺寸增加，这种现象在技术上可能是有用的。

　　根据作者在《自然物理学》上发表的文章“室温下反铁磁体中异常霍尔效应的压磁转换”，压磁效应的研究主要限于低温下的反铁磁绝缘体。该研究的科学家团队最近在常温下发现了 Mn3Sn 中的压电磁性。

　　通过使用 Mn3Sn，他们发现应用 0.1% 量级的小单轴应变可以控制反常霍尔效应的符号和大小。

　　实验

　　该团队对 Weyl 反铁磁体的测试表明，施加应力会导致外部剩余磁场增加。

　　如果霍尔效应是由磁场引起的，则材料两端的电压会发生变化。研究人员证明，在实践中，电压并没有显着变化。相反，他们得出的结论是，霍尔效应是由材料内自旋电子的方向引起的。

　　Mn3Sn 保持微弱的外部磁场。研究人员在文章中指出，他们能够证明对材料两端的电压没有相应的影响，因此，材料内自旋电子的排列是导致异常霍尔效应的原因。

　　通过这种方式，可以对反铁磁晶体施加一点单轴变形来微调反常霍尔效应，这使得可以利用压电磁性以不同于单轴变形磁化的方式来调节 Mn3Sn 中的反常霍尔效应(通常，异常霍尔效应的功能控制是通过施加外部磁场来实现的)。

　　据科学家称，该实验证明了传导电子与其自旋之间的量子相互作用是造成霍尔效应的原因。这些发现对于理解和开发磁存储技术至关重要。

　　该实验揭示了应变引起的晶格变化以及某些材料中由此产生的电子各向异性如何用于调节异常霍尔效应。

　　已经有几种自旋电子存储设备在使用中。尽管依赖于铁磁开关，但 MRAM(磁阻随机存取存储器) 已经商业化，可能会取代电子存储器。使用与 MRAM 中的铁磁体相同的技术，我们能够在实验中诱导反铁磁材料 Mn3Sn 作为简单的存储设备，证明该材料中自旋态的切换。

　　本文最初发表于 EE Times。

　　毛里齐奥·迪保罗·埃米利奥拥有博士学位。在物理学中，是一名电信工程师。他曾参与设计热补偿系统、X 射线微束以及用于通信和电机控制的空间技术的引力波研究领域的各种国际项目。自 2007 年以来，他作为技术作家与多家意大利和英国博客和杂志合作，专攻电子和技术。2015-2018年任Firmware和Elettronica Open Source的主编。Maurizio 喜欢撰写和讲述有关电力电子、宽带隙半导体、汽车、物联网、数字、能源和量子的故事。Maurizio 目前是 Power Electronics News 和 EEWeb 的主编，以及 EE Times 的欧洲记者。他是 PowerUP 的主持人，这是一个关于电力电子的播客。