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北航成果登上《自然·电子学》,手机发热&卡片消磁&木星探测等难题有解了!
梅西 2018-03-15
导语

这项研究在反铁磁自旋电子学发展中迈出了重要的一步。

手机发热耗电快?电脑烫手运行“卡”?银行卡消磁不能用?是不是很烦躁?

别担心,这个北航人想到了釜底抽薪的办法!

图:2018年3月《自然·电子学》封面

日前,国际知名学术期刊《自然》子刊《自然·电子学》(Nature Electronics)上发表了我校材料科学与工程学院刘知琪教授课题组研发的首个反铁磁材料拓扑反常霍尔效应的电场门控器件成果(研究型文章)。

《自然·电子学》还邀请了反铁磁电子学领域著名学者、德国卡尔斯鲁厄理工学院Christoph Sürgers教授就这一成果撰写了专题评论,发表在同期上。


图:文章发表页面截图

那么,这项名字超长的成果究竟是什么?又怎么解决发热、消磁的问题呢?

我们生活在一个信息爆炸的时代,海量信息如何存储?主要使用的是铁磁材料。以不同磁性的正反两极来代表电脑里的0与1,起到数据存储的作用,写入数据实际上就是通过磁头对硬盘碟片表面的非常小的磁性物质的磁极进行改变的过程。


图:生活中常见的磁盘存储器

但这种方法有一个弊端:在使用电流产生磁场的过程中,会带来大量无效焦耳热。小小的手机、电脑会发热;大数据、云计算依赖数量巨大的服务器,产热更高,因散热带来的能耗也更大。更别提“消磁”带来的数据丢失了。

既然铁磁材料有发热的弊端,又存在消磁的风险,我们能不能换种材料呢?

刘知琪说:可以啊!

他选择了反铁磁薄膜材料并结合压电陶瓷BaTiO3单晶基片。压电陶瓷存在一种“神奇”的压电效应,能把压力转化为电,对其外加电场时又会产生形变。


图:一些压电陶瓷材料

利用这种特性,刘知琪和团队在BaTiO3单晶基片上制备出了高质量的非共线反铁磁金属间化合物Mn3Pt的外延单晶薄膜,其电阻态会随形变而改变。把不同的电阻态标记为0和1,即可实现数据存储。

而由于压电陶瓷绝缘性好,施加在其上的电场产生的电流可以忽略不计,其能耗较传统的铁磁材料会低3-4个数量级,也就是原来的1/1000~1/10000!

这下,手机发热、电脑卡顿、磁卡消磁,都不是事儿!

刘知琪说,这种反铁磁的薄膜材料,还是强磁场星球探索的利器。

经典电影《星球大战》《星际迷航》中对太空的探索、对科技的追求,令无数科幻迷神往。自古至今,人类始终对地外探索孜孜以求。我国计划在2020年发射火星探测器,3月10日刚宣布完成气动设计。SpaceX甚至启动了火星移民计划。

图:电影《火星救援》描绘了人类在火星上的生存图景

但木星的探测就困难重重。2016年,朱诺号探测器成功进入木星轨道,它面临着强磁场及辐射的巨大挑战。

而刘知琪团队研发的反铁磁的薄膜材料,能用于恶劣磁场环境下的信息存储与处理,在探索木星、中子星等强磁场星球的宇航飞行器中,能发挥巨大的作用!

还记得去年“引力波”刷过一次屏吗?正是人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波。

图为艺术家想象的双中子星合并时发生的猛烈爆炸。扭曲的时空网象征着爆炸发出的引力波,上下两道光柱代表的是在发出引力波仅几秒钟后会喷射出的伽马射线。

厉害了!难怪《自然·电子学》专题报道中要说,这项研究在反铁磁自旋电子学发展中迈出了重要的一步。

两会前夕,CCTV《新闻直播间》报道了北航青年“海归”人才刘知琪教授和宫勇吉教授。

刘知琪介绍了这项成果:

下面,奉上对这项研究成果的严肃介绍。

传统铁磁性材料,如Fe、Co、Ni及其合金材料,在现代信息磁存储(如硬盘、磁带、信用卡磁条等)领域起着重要的媒介作用,为信息数字化时代人们的日常生活所必需。但随着全世界数据量的爆发式增长,信息存储过程中的能耗越来越大,而其中很大一部分能耗来源于用来产生磁场的电流在导线中的无效焦耳热,因而这种传统磁存储急待被新型存储器件所替代以降低能耗;另外,基于铁磁材料的磁存储器件很容易受到周围杂散磁场的干扰,导致“消磁”以致数据丢失。

图:非共线反铁磁材料中的反常霍尔效应示意图

多年来,反铁磁材料由于没有宏观磁性,在现代磁存储的磁头结构中起着钉扎铁磁材料磁化方向的辅助作用。随着近年来人们对反铁磁材料的深入研究,反铁磁自旋电子学逐渐成为一门前沿学科,例如,利用反铁磁材料中自旋-轨道耦合相关的各向异性磁电阻效应,可将其应用于记忆存储器件,其最大的优点包括可以有效抵抗外界零散磁场干扰以及内禀自旋高频动力学特性。此外,理论研究发现一些非共线的反铁磁材料由于特殊对称性和布洛赫能带的拓扑特征会呈现出原来只有在铁磁材料中才有的反常霍尔效应,可以简单理解为,无需外加磁场,非共线的自旋结构就能够将材料中的电子和空穴进行分离从而产生垂直于电流方向的霍尔电压。

北京航空航天大学材料科学与工程学院刘知琪教授课题组在压电陶瓷BaTiO3单晶基片上制备出了高质量的非共线反铁磁金属间化合物Mn3Pt [图(a)]的外延单晶薄膜, 并在其中观测到了很大的室温拓扑反常霍尔效应。在此基础上,实验团队进一步在压电陶瓷BaTiO3基片上施加电场[图(c)]来使其产生压电形变以带动上 面的Mn3Pt薄膜的晶体结构发生形变,从而可以将Mn3Pt自旋结构在共线和非共线之间来回转换,相应地,拓扑反常霍尔效应也随之消失或出现[图 (d)]。这样一来,就实现了外加电场对反铁磁材料的拓扑反常霍尔效应的“开”“关”调控,尤其是零磁场下的调控非常有利于实际应用。


图:(a)Mn3Pt合金的晶体和自旋结构示意图,蓝色球为Mn原子,灰色球为Pt原子。(b)反常霍尔电阻随外加磁场的变化。(c)电场门控示意图。(d)电场对反常霍尔效应的“开”“关”调控。

由于压电陶瓷是非常好的绝缘体,施加在BaTiO3的电场在其中产生的电流非常小,可以忽略不计,因此通过这种方式对信息存储进行编码可以有效地避免焦耳热,从而极大降低信息存储过程中的能耗。此外,此项工作中利用电场对反铁磁材料电阻态的调控可以用于信息存储器件,它可以抗外界磁场干扰,并且耗能非常低,不发热。不仅可以用于日常生活的信息存储,还能应用于恶劣磁场环境下的信息存储与处理,如探索木星、中子星等强磁场星球的宇航飞行器中。

此项工作于3月9日在线发表在《自然·电子学》上。此外,《自然·电子学》邀请了反铁磁电子学领域著名学者、德国卡尔斯鲁厄理工学院Christoph Sürgers教授以“ANTIFERROMAGNETIC SPINTRONICS: Electrical switching of the anomalous Hall effect”为题撰写了News & Views,发表在同期上。

图:Christoph Sürgers教授文章截图

北航参与此研究的人员包括材料科学与工程学院蒋成保教授、王敬民副教授、刘敬华博士、研究生冯泽鑫和闫晗。此外,我校“外专千人”、国际著名磁学专家J. M. D. Coey教授对此工作也给予了指导。理论工作由美国科罗拉多州立大学陈铧教授和德克萨斯大学奥斯汀分校Allan H. MacDonald教授完成,对实验观察进行了很好的物理解释。

该项研究得到了国家自然科学基金和北京航空航天大学青年拔尖人才计划的资助。

文章链接:

Z. Q. Liu, et al, "Electrical switching of the topological anomalous Hall effect in a non-collinear antiferromagnet above room temperature," Nature Electronics, volume 1, pages172–177 (2018), doi:10.1038/s41928-018-0040-1

(本文来源:北京航空航天大学微信公众号;)

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文章评论(1)
柏岩[北京航空航天大学]

北航威武V5

123天前 | 回复
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作者 梅西

本科生

北京工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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