beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所、納光電子前沿科學中心、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室葉堉課題組與中國人民大學季威教授、重慶大學孫陽教授等合作，在條狀反鐵磁體一氧一氯化鉻（CrOCl）中觀測到了二維極限下的磁電耦合效應，并通過該效應實現了電場、磁場可調的多阻态隧穿存儲器。2023年6月3日，相關研究成果以“二維條狀反鐵磁體中磁電耦合效應實現的多阻态數據存儲”（Multi-state Data Storage in a Two-dimensional Stripy Antiferromagnet Implemented by Magnetoelectric Effect）為題發表于《自然·通訊》（Nature Communications）上。
傳統自旋電子學是以鐵磁材料及其巨磁阻等效應為基礎，通過外加磁場、電場等來測量并調控鐵磁材料自旋極化的方向，從而實現數據的存儲、運算和傳輸。近期一系列研究結果表明，相比于鐵磁材料，反鐵磁材料在自旋電子學應用方面具有抗幹擾、無漏磁、操作速度快等更多優秀的特性，是發展新一代自旋電子學器件極有潛力的材料體系。然而，反鐵磁材料的零磁矩也為其信息的寫入造成了巨大困難，在鐵磁材料中常用的自旋轉移力矩、自旋軌道力矩等手段很難在反鐵磁材料中實現有效的磁矩翻轉。因此，如何用電信号調控反鐵磁材料的磁相變，是目前自旋電子學領域最重要并具挑戰性的問題之一。
針對這一難題，葉堉課題組與合作者通過條狀反鐵磁中的磁電耦合效應，實現了二維極限下反鐵磁相變的電調控。CrOCl是一種範德瓦爾斯層狀條狀反鐵磁體，具有空氣穩定、易于剝離等優勢；而其低溫下的條狀反鐵磁結構具有較低的磁對稱性和晶格對稱性，因此允許磁彈耦合、磁電耦合等多種能量耦合形式的存在。研究團隊首先通過第一性原理計算提出，在低溫下4b周期的兩上兩下條狀反鐵磁結構會誘導出2b周期的反鐵電偶極矩。通過測量CrOCl的介電常數随溫度、磁場的變化發現，在CrOCl的磁相變處其介電常數也随之發生了相變，這證實了低溫下CrOCl中反鐵電電偶極矩的出現，同時也證明了CrOCl是一個具有磁電耦合性質的材料（圖一）。
圖一：CrOCl磁性誘導的反鐵電相變
為了研究二維CrOCl中反鐵電電偶極矩的可調性，研究者制備了氮化硼-石墨烯-CrOCl-石墨烯-氮化硼隧穿異質結，測量了隧穿電流随溫度、磁場和電壓的變化。在隧穿結中，電場可高達108V/m。研究者發現，在進入兩上兩下條狀反鐵磁态後，CrOCl的I-V曲線出現了明顯的回滞現象（圖二）；而當外加磁場打破兩上兩下反鐵磁态時，I-V曲線回滞也随之消失。回滞現象與磁相變緊密關聯，說明該現象很可能來源于CrOCl中可調控的反鐵電偶極矩。為了證實該猜想，研究者通過反鐵電隧穿的理論模型再現了實驗中的I-V曲線回滞，并做了一系列對比實驗以排除離子遷移、電荷陷阱等外界因素的影響。回滞現象在所有甚至直到單層（0.73 nm）的CrOCl隧穿樣品中都能穩定存在，說明CrOCl的反鐵電結構能夠存在于二維極限下并且能夠通過電場調控。
圖二：CrOCl隧穿結中的I-V曲線回滞現象
在證實了CrOCl中的磁電耦合效應與反鐵電結構的可調性之後，研究者将二者相結合，實現了電場調控磁相變。在外磁場下，CrOCl會從兩上兩下條狀反鐵磁結構相變到三上兩下亞鐵磁結構，該相變是一個具有巨大回滞的一級相變。在磁場從高到低的掃描過程中，樣品會處于三上兩下高電流态，而此時對隧穿結器件進行電場掃描，即可将器件設置到某中間電流态上。該電流态随時間無衰減，并且通過改變掃描電場的大小和速度即可改變電流的具體數值，實現任意連續阻态的數據寫入。當施加的掃描電場足夠大時，器件将回到兩上兩下低電流态。再繼續進行磁場掃描即可擦除寫入的信息，讓樣品回到三上兩下高電流态。研究者通過改變磁場、電場掃描的具體數值，發現通過這兩個自由度可以在一個μm2量級的器件中實現超高密度（大于十進制）、超低能耗（<10 A/cm2）的連續信息存儲（圖三）。而反複進行磁場和電壓掃描，器件的阻态都能夠穩定地複現，從而證實了該存儲器件的穩定性。
該工作在二維極限下首次證實了條狀反鐵磁材料中本征的磁電耦合效應，澄清了其中自旋-電荷耦合的機理；同時也證明了反鐵磁絕緣體材料在自旋電子學領域中的巨大潛力。CrOCl的多阻态存儲器具有水平面積小、寫入電流低、信息存儲量大、垂直厚度可變等優勢，其存儲邏輯也超越了傳統的二進制數據結構，為神經形态計算等領域提供了新的可能。beat365官方网站2019級博士生谷平凡為論文第一作者；中國人民大學季威教授、重慶大學孫陽教授、beat365葉堉長聘副教授為論文共同通訊作者。主要合作者還包括山西大學的韓拯教授。
上述研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金，以及beat365長三角光電科學研究院等支持。
圖三：電場調控反鐵磁相變與連續阻态存儲器工作原理
原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39004-4.pdf
