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摘要：研究表明，在由手性反铁磁体Mn3Sn与重金属构成的器件中，通过减薄磁性层，可抑制热引起的切换机制，实现自旋流直接改写磁序的高效量子切换。

关键词：磁态切换、磁性层厚度、反铁磁体、自旋流、非易失性磁存储器（MRAM）

要点

利用量子效应可实现超高速、超低功耗切换动作的反铁磁材料，作为下一代非易失性逻辑·存储器的新型磁记录层材料备受关注。
研究表明，在由手性反铁磁体Mn₃Sn与重金属构成的器件中，通过减薄磁性层，可抑制热引起的切换机制，实现自旋流直接改写磁序的高效量子切换。
本成果表明，通过优化器件形状，可在抑制温升和功耗的同时实现高速磁记录，为利用反铁磁体的超高速、低功耗逻辑·存储器的器件设计提供重要指导。

Mn3Sn/重金属（HM）器件中利用自旋流的两种磁切换机制。

在通过内源性机制的切换中，自旋流在电流施加过程中直接作用于磁序；而在通过温度辅助机制的切换中，磁序在电流施加过程中消失。

概要

研究小组发现，在有望用作下一代超高速·低功耗逻辑·存储器用磁记录层材料备的反铁磁体中，自旋轨道矩（SOT）引起的磁态电切换机制可通过包括薄膜厚度和散热性在内的器件结构进行控制。特别是，研究还表明，通过有效地耗散产生的热量，可以激发出一个利用反铁磁体固有的皮秒（万亿分之一秒）级的高速磁动力学特性的切换机制，而无需依赖焦耳热。

在利用手性反铁磁体Mn₃Sn薄膜的器件中，本研究探讨了SOT引起的磁记录特性如何随Mn₃Sn薄膜厚度的变化而变化。结果表明，通过减小薄膜厚度以抑制发热影响，磁切换机制从由发热和冷却过程支配的“温度辅助机制”，转变为自旋流直接控制反铁磁序的“内源性机制”。利用内源性机制写入时，由于可以利用反铁磁体的高速磁动力学特性，因此有望实现比温度辅助机制更短的电流脉冲下的存储器操作，同时具有显著的节能效果。

本成果为实现利用反铁磁体超高速磁动力学特性的新型非易失性存储器技术奠定了重要的基础。

研究背景与经过

随着AI和大数据技术应用的普及，能够高速、低功耗处理和存储海量数据的下一代逻辑·存储器技术的重要性日益凸显。在目前基于半导体的逻辑·存储器中，信息存储功耗、以及高速读写大量数据时的功耗和发热都是亟待解决的难题。作为解决这一难题的候选方案，利用磁态作为信息的非易失性磁存储器（MRAM）备受关注。近年来，作为使MRAM更加低功耗、高速运行的磁记录层材料，表现出皮秒级高速磁动力学特性的反铁磁体的应用备受期待。

本研究中使用的手性反铁磁体Mn₃Sn虽然是反铁磁体，却表现出异常霍尔效应和隧道磁阻效应等响应，具有易于电学读取磁态的特性。此前研究已证实，通过向Mn₃Sn注入自旋流，利用SOT电切换对应“0”和“1”信息的磁态（Nature 580，608(2020)；Nature 607，474(2022)），作为一种可利用皮秒级磁动力学特性的超高速、高效存储器用磁记录层材料，正被积极研究。

另一方面，近期研究表明，在Mn₃Sn中利用SOT进行磁切换时，不仅存在自旋流直接控制的“内源性机制”，施加电流时产生的焦耳热也能发挥显著作用。在这种“温度辅助机制”中，反铁磁序会因热量产生而暂时消失，最终的磁态则在器件的冷却过程中确定。由于该机制需要一定的时间进行热量产生和冷却，因此切换过程预计需要约100纳秒才能完成，这可能会阻碍利用反铁磁体预期的皮秒级高速磁动力学特性的磁记录技术的应用。因此，有必要阐明在不依赖焦耳热的情况下，如何通过自旋电流非热地控制磁序。

研究内容与成果

本研究采用溅射法在硅衬底上制备了一种Mn₃Sn膜厚t从15纳米（nm）变化至200nm的反铁磁体Mn₃Sn/重金属Ta多层膜（图1）。研究小组还将这些薄膜微加工成霍尔条形，系统研究了SOT引起的磁态的切换特性。

图1：（左）本研究中使用的反铁磁体Mn3Sn/重金属Ta多层膜。AlOx为覆盖层，t为Mn3Sn层的膜厚；

（右）Mn3Sn/Ta多层膜切换器件的显微图像。I+和I-为电流端子，V+和V-为电压端子。

结果表明，具有较厚Mn₃Sn层的器件中，电流流过时产生的焦耳热辅助写入的热辅助机制占主导地位；而当膜厚减薄至约30nm以下时，温升和功耗均得到抑制，在温度辅助机制无法解释的低电流密度下实现了磁态切换（图2）。

图2：（左）Mn3Sn（15-200nm）/Ta（5nm）多层膜中SOT反转电流密度（切换电流密度）对Mn3Sn膜厚的依赖性。粉色曲线为温度辅助机制中切换电流密度预期遵循的理论曲线；

（中）利用SOT的磁切换观察过程中施加的功率对Mn3Sn膜厚的依赖性；

（右）SOT切换所需电流施加时器件达到温度的计算结果。

这一结果表明，Mn₃Sn层膜厚是决定SOT写入机制的重要因素——当薄膜较厚时，电流产生的热量容易在磁记录层中积聚，温度升至转变温度以上后磁序会暂时消失，最终的磁态在冷却过程中确定。此时，SOT写入所需的电流密度遵循磁记录层厚度t的-0.5次方关系（图2左，图3）；另一方面，减薄膜厚后，产生的热量更容易向衬底侧散发，从而可在维持反铁磁序的状态下实现基于SOT的磁切换。因此，可以认为，在薄Mn₃Sn器件（t≲30nm）中，出现了一种非热的、高效的内源性机制。换句话说，研究表明，通过减薄薄膜来有效散热是激发反铁磁体固有的高速响应和量子切换特性的关键。

图3：内源性机制和温度辅助机制下，通过SOT实现磁切换预期所需电流密度对磁性膜厚的依赖性的示意图。在两者交叉的磁性层厚度tc更薄的区域，内源性机制导致的磁态切换占主导地位。

研究还表明，在最薄的15nm Mn₃Sn器件中，即使将电流脉冲宽度从100毫秒变化至10纳秒，伴随切换而变化的电信号幅度也保持不变（图4）。这与有关温度辅助机制的先前研究所报道的中脉冲宽度短于100nm时信号反转速率衰减的实验结果在定性上有所不同，可视为在薄Mn₃Sn层器件中由内源性机制实现SOT反转的证据。

图4：Mn3Sn（15nm）/Ta（5nm）器件中由SOT切换的异常霍尔电压对电流脉冲宽度的依赖性。黑线表示使用100毫秒（ms）脉冲时的值。

未来展望

本成果为利用反铁磁体在下一代MRAM中实现超高速切换提供了器件设计指导。研究表明，通过减薄Mn₃Sn层厚度并有效散热，可在维持反铁磁有序的状态下通过自旋流直接改写磁态。这一发现也被应用于并行推进的Mn₃Sn薄膜器件中数十皮秒级电脉冲写入和时间分辨观测对高速切换过程理解的研究（Science 392，761(2026)；Nature Materials 25，434(2026)，Physical Review Materials 10，044405(2026)）。此外，本研究显示了反铁磁层膜厚设计对于实现皮秒级超高速切换和低功耗运行的重要性。

虽然本研究聚焦于膜厚，但在实用MRAM中，器件尺寸将从微米级缩小至纳米级，这有望降低器件的热容量，并使产生的热量更容易散发。因此，本研究所发现的膜厚·散热性设计指南预计将在微型化MRAM器件中，为将Mn₃Sn等反铁磁体用作超高速、低功耗、高耐久性磁记录层材料提供重要基础。

https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/11188/

https://www.doi.org/10.1038/s41467-026-74311-6

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