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天生我才必有用


C. L. Lu(陆成亮), B. Gao, H. W. Wang, W. Wang, S. L. Yuan, S. Dong(董帅), and J. -M. Liu(刘俊明)


Revealing Controllable Anisotropic Magnetoresistance in Spin–Orbit Coupled Antiferromagnet Sr2IrO4


Advanced Functional Materials 2018, 28, 1706589


七绝@调寄Néel先生

尼尔闲嘲反铁磁,此生无用为谁知
百年屈就当前利,终有浮尘散尽时


引子
铁磁性和反铁磁性是磁学的一对双生子,然而境遇却迥然不同。前者到处显摆、到处造谣,其磁力线(也叫杂散场)哪怕再纤弱也要充斥空间每一个角度,因此早在数千年前便被老祖先所认识与运用,“司南”等历史词汇便是很好的例证。后者因为近邻自旋相生相息,彼此始终如一,对外则不露山不显水,因此直到1930年代才被逐渐揭示出来。反铁磁性的发现者Louis Néel因此而获得1970年的诺贝尔物理奖。不过,获奖归获奖,那是名利双收之事,但Néel本人也认为人类对铁磁性和反铁磁性厚此薄彼并无过错,反铁磁性的确好看而不中用。Néel先生在诺奖致辞中形容反铁磁性“interesting but useless”。这一描述后果很严重,把研究人员惯用的“potential applications”之辞给堵住了,因此研究反铁磁的动机也就失去了一半。

过去近百年,对反铁磁性的研究主要局限于统计物理学界。凝聚态物理和材料学者更多将反铁磁性作为其它有趣的物理性质之孪生兄弟,最多也就是将反铁磁性作为一个标记。例如铜基和铁基超导中反铁磁与超导共存,出现诸如自旋密度波、电荷密度波等衍生现象,如此而已。当然,我们实在不能够把反铁磁性持续不受待见的责任推给伟大的Néel先生,因为反铁磁看起来的确是"百面书生无一用"。反铁磁性最显著的特征是自旋反平行排列而不呈现宏观磁矩,因此原则上无法探测其中的磁结构和磁畴态,也很难利用外磁场操控反铁磁性。很多文章在谈到反铁磁性应用时,就一句话:no stray field!又所谓“可怜之人必有可恨之处”,也是这个意思吧。


重生
到了今天,有三重根源让我们愁绪散尽、好事重来。第一,现代科学技术发展已经有了足够的手段可以探测反铁磁性。第二,科学问题数目最多是时间的线性函数,而科学家的数目是时间的指数递增函数,僧多粥少,这给了反铁磁性由“深闺人不识”走到“明月照乾坤”的机会。第三,物理的东西很多一开始是无用的,很难得到纳税人认可、很难受功利之心礼贤下士。物理的无用-有用相变,在反铁磁自旋电子学这一例子上有上乘表现。

事实上,反铁磁性逐渐在多个场合展现出特殊用途。例如:(1) 在自旋阀结构中,钉扎铁磁层的自旋方向,从而实现信息存储功能。(2) 反铁磁性一个显著却也委屈的贡献是产生磁致多铁性(或者称为第II类多铁性)。磁致多铁性在物理上实现了时间反演对称破缺和空间反转对称破缺的统一,应用上为高密度信息存储器件提供了一个很好的选择。通常来讲,磁致铁电性的出现是基于反铁磁序的。然而即便如此,磁致多铁性领域的一个核心研究目标是破坏反铁磁性,诱导出净磁矩,从而实现所谓的多态信息存储。由此而下,过去15年间,对反铁磁序的研究成为多铁性物理乃至凝聚态物理的重要研究领域之一。

自旋排列是平行(铁磁)还是反平行(反铁磁),取决于自旋之间的关联作用。这种关联作用能量可写为:H = J·(Si·Sj);如果J为正,则SiSj反平行;如果J为负,则SiSj平行。在晶格中,这些平行或反平行的自旋如何取向,很大程度上决定于自旋-轨道耦合效应,或即常说的磁晶各向异性能。例如,在大多数的磁性材料中,磁晶各向异性使得自旋总是倾向于沿着晶体的某个特定轴向排列。这个能量很有用,特别是在基于铁磁性的自旋电子学中。由于磁晶各向异性的存在,铁磁体系中的自旋能够被固定在特定方向上(或正或负),因此能够满足信息存储的核心要求——至少存在两个稳定态(分别对应于1和0)。

这里我们注意到,磁晶各向异性是个能量项,是自旋取向的偶函数,因此她对铁磁性和反铁磁性一视同仁。这也就意味着铁磁性体系的物理效应,同样应该出现在反铁磁性体系中。事实上,反铁磁的发现者、伟大的Néel先生虽然对自己的科学发现颇为“失望”(useless),但也同时客观地指出:和自发磁化成平方关系的效应应该同样存在于铁磁体系和反铁磁体系中(effects that depend on the square of the spontaneous (sublattice) magnetization show the same variation in antiferromagnets as in ferromagnets)。这给了反铁磁性一丝逆袭的机会。


图1. (a) IrMn合金多层膜在T = 4 K时的磁输运结果,显示体系存在两个电阻态。多层膜的结构如图1(a)右图示意。反铁磁IrMn层耦合于铁磁NiFe层,以实现外磁场对IrMn层内的反铁磁序调控。在外磁场作用下,IrMn层内的反铁磁结构发生转动,从而实现左图中的两种电阻态 [取之于Nature Mater. 10, 347 (2011)]。(b) FeRh合金在室温以上呈现铁磁性,室温以下具有反铁磁性。通过在高温区施加不同方向的磁场冷却,FeRh样品翻转到反铁磁态。撤去磁场,可以实现反铁磁序与外加电流之间两种构型,如图1(b)左图所示。对应这两种构型,体系出现了两种阻态。这两种阻态在室温下亦能观测到,如图1(b)右图所示 [取之于Nature Mater. 13, 369 (2014)]。

2010年,捷克的一个研究组通过国际合作,理论预言在反铁磁体MnAu2和MnIr中,如果自旋转动,电子结构的态密度会发生显著的变化,从而可能表现出输运上的差别,这一效应很显然会在自旋电子学中发挥重要作用。此后,多个实验结果证实了这一预言,从而催生了反铁磁自旋电子学(antiferromagnetic spintronics)这一新兴研究领域。如图1所示,Park等人在基于反铁磁性MnIr的多层膜中,观测到类似自旋阀的磁电阻效应高达160%。Marti等人在反铁磁性的FeRh合金中观测到室温下的记忆效应(虽然效应极其微弱,但是室温下可观测,很难得)。Wadley等人则实现了电流控制反铁磁自旋取向以及阻态转变,实为该领域的一个大的进展。

由此,反铁磁体用作信息存储的核心单元可由图2示意性地表达出来。这一类器件有几个明显的优势:(1) 对外场不敏感,磁结构表现得十分稳定;(2) 没有内在杂散磁场(stray field),适合于高密度信息存储,存储单元可以小到原子级别);(3) 超快自旋动力学响应,可极大提升信息处理速度,铁磁性自旋翻转频率大概在GHz,而反铁磁性自旋翻转频率可达THz。这些优势之中,现阶段最为重要的应该是反铁磁性的超高稳定性,来源于其中本征的宏观零磁矩。当前,市场主流的铁磁性存储技术存在一个先天缺陷,即存在净磁矩,对外表现出杂散磁场,也易受到外磁场的扰动和破坏。因此,这个净磁矩既是害人者也是受害者。如果您遭遇过银行卡/公交卡/饭卡等被消磁的事情,就应该同意这一看法。


图2. 基于反铁磁序设计制备的存储器,两个电阻状态取决于反铁磁自旋取向转动。此图源于YouTube视频截取(https://www.youtube.com/watch?v=fwQ1mc9tEok)


又是SOC
虽然反铁磁存储在理论上相比铁磁存储具有一些优势,但反铁磁性自旋电子学的逆袭之路依然十分坎坷。反铁磁性对外磁场的超高稳定性是把双刃剑,一方面体现了反铁磁信息存储的优势,另一方面也就意味着这类存储器件难以操控。截至目前,大体上有界面耦合、磁场退火、以及大电流驱动等三种方式实现反铁磁序操控。这些方法从原理上实现了反铁磁性信息存储功能,但技术层面显然都各有难言之隐。遗憾的是,即便费了九牛二虎之力,这一领域的研究现状仍停留在实现各向异性磁输运这一初级阶段,一步三坎,反铁磁性的物理特性远未充分发掘。

归根结底,磁晶各向异性是反铁磁性在信息存储领域产生作用的物理基础。已有的研究表明,强自旋-轨道耦合(SOC)是充分发挥磁晶各向异性能功效的一个重要物理元素。在此背景下,学者们合成了一系列含有贵金属(提供大的自旋-轨道耦合效应)的合金材料,并将这些材料用于反铁磁自旋电子学中。这种合金化虽然能生成大量不同的材料体系,然而其中的磁性和自旋-轨道耦合通常有着不同的微观来源,技术实现起来尤其不易。与此不同的是,4d/5d过渡金属氧化物一般也有很强的SOC,如铱氧化物体系的自旋-轨道耦合就很显著,且其中的磁性也来源于铱离子。更为特殊的是,铱氧化物中的强自旋-轨道耦合深度参与了电子结构的建立、能隙的打开,形成所谓的Jeff = 1/2态。最典型的体系莫过于Sr2IrO4。因此,这种反铁磁性的Jeff = 1/2态为产生新颖的自旋电子学效应提供了可能。


转动AMR
基于这一想法,华中科技大学陆成亮博士与合作者深入研究了Sr2IrO4/SrTiO3 (001)薄膜中的各向异性磁电阻效应(anisotropic magnetoresistance, AMR)。AMR的一个重要物理来源是磁晶各向异性能。这个实验不难做,实验实现与物理理解虽有一定挑战性,却也有很多窗口。通过实验测量,他们看到薄膜中存在着来源于磁晶各向异性的显著四重AMR效应,并且AMR曲线在较高磁场时会发生约45°转动,较为少见,如图3所示。结合第一性原理计算,他们认为所观测到的AMR转动效应来源于自旋旋转带来的能隙变化。例如,自旋沿着易磁化轴时,能隙较大。但当自旋被磁场转动到晶格对角线时,体系具有相对较小的能隙。研究结果揭示了两点:(1) 基于反铁磁AMR效应可以被调控;(2) 虽然Sr2IrO4是Slater还是Mott绝缘体一直存在争议,但Sr2IrO4中能隙与自旋之间有直接关联,这是非常有趣的一种特性。


图3. (左) Sr2IrO4/SrTiO3(001)薄膜中AMR测量示意图。图中H为磁场,I为电流,Φ为H和I之间的角度,这里磁场在面内转动。(右) 样品在T = 50 K时不同磁场下测量得到的AMR曲线。当磁场为H ~ 7 T时,AMR形态发生了约45°的转动。

(作者:陆成亮、Ising)

Antiferromagnetic spintronics actively introduces new principles of magnetic memory, in which the most fundamental spin-dependent phenomena, i.e., anisotropic magnetoresistance effects, are governed by an antiferromagnet instead of a ferromagnet. A general scenario of the antiferromagnetic anisotropic magnetoresistance effects mainly stems from the magnetocrystalline anisotropy related to spin–orbit coupling. Here magnetic feld driven contour rotation of the fourfold anisotropic magnetoresistance in bare antiferromagnetic Sr2IrO4/SrTiO3 (001) thin flms hosting a strong spin–orbit coupling induced Jeff = 1/2 Mott state is demonstrated. Concurrently, an intriguing minimal in the magnetoresistance emerges. Through frst principles calculations, the bandgap engineering due to rotation of the Ir isospins is revealed to be responsible for these emergent phenomena, different from the traditional scenario where relatively more conductive state is obtained usually when magnetic feld is applied along the magnetic easy axis. These fndings demonstrate a new effcient route, i.e., via the novel Jeff = 1/2 state, to realize controllable anisotropic magnetoresistance in antiferromagnetic materials.

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