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摘要：研究小组通过将人工反铁磁体与压电体相结合，证实了在无需使用电流导致焦耳热损耗的情况下，仅使用电场即可控制层间反铁磁耦合，有望进一步降低反铁磁自旋电子器件的功耗。

关键词：自旋电子器件、电场控制、人工反铁磁体、层间磁耦合、降低功耗

要点

无需使用导致焦耳热^注1)的电流，仅通过电场实现了磁耦合的控制。
制备了[Co/Ru/Co]外延^注2)多层膜人工反铁磁体^注3)/压电单晶^注4)PMN-PT异质结构。
成功实现了对人工反铁磁体[Co/Ru/Co]外延多层膜中的层间磁耦合^注5)的电场控制。
为实现超低功耗电场控制型反铁磁自旋电子器件^注6)开辟了新途径。

研究概要

研究小组成功在由钴(Co)和钌(Ru)制成的[Co/Ru/Co]外延多层膜人工反铁磁体和Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PMN-PT)压电单晶的叠层结构中，通过电场实现了Co层间磁耦合（交换耦合）的调制控制。相邻的磁矩互相反向排列的反铁磁体因其优异的磁性，例如对外部杂散磁场的鲁棒性以及在太赫兹（THz）波段的超高速磁化动力学，有望应用于新型自旋电子器件。另一方面，在[铁磁体/非磁性体/铁磁体]多层膜结构中，由于通过调节非磁层的厚度，可以使两个铁磁层的磁化反向耦合，因此可以人工地创造出类似于反铁磁体的磁性能。这种铁磁层磁化反向耦合的磁性多层膜结构被称为“人工反铁磁体”。与普通的反铁磁体相比，其层间交换耦合强度较弱，更容易进行外部控制，因此有望成为一种控制自旋电子器件中磁化方向以实现新功能的新材料。

本研究中，研究小组实现了人工反铁磁体[Co/Ru/Co]多层膜的高质量生长，并通过将其与压电单晶PMN-PT叠层，证实了无需使用导致焦耳热的电流，仅通过电场即可调控两层Co之间的交换耦合。研究还发现，交换耦合的电场调制效应会随着交换耦合强度的增加而显著增强。此外，通过仔细检查实验结果与微磁学模拟和第一性原理计算等计算结果，研究小组确定了交换耦合的电场调制效应源于PMN-PT中产生的压电应变以及其伴随的Ru层电子态调制效应。

这一成果为以极低功耗切换和控制构成人工反铁磁体的磁性层的磁化方向提供了技术基础，有望为开发新型节能型反铁磁自旋电子器件开辟道路。

研究背景与内容

相邻的磁矩（自旋）以相反方向发生强交换耦合的反铁磁体具有许多优异的特性，例如自旋的动态特性可在太赫兹频段响应。为了利用这种反铁磁体来实现反铁磁自旋电子器件的实用化，高效控制反铁磁体的自旋变得至关重要。然而，由于其强交换耦合，从外部控制自旋需要较大的电流，从而不可避免地造成焦耳热引起的能量损失。这成为实现反铁磁自旋电子器件的一大障碍。另一方面，研究小组重点研究了一种可实现人工反铁磁态的[铁磁体/非磁性体/铁磁体]磁性多层结构。在这些结构中，通过非磁性体作为媒介的层间磁耦合，上下两个铁磁体的磁矩会反向耦合，从而表现出类似于反铁磁体的磁性特性。此外，通过改变非磁性体的膜厚，可以调节层间的反铁磁磁耦合的强度。这种“人工反铁磁体”由于具有比普通反铁磁体更弱的磁交换耦合强度，因此有望以低功耗实现对反铁磁序的控制。

本研究中，研究小组重点研究了一种界面多铁性结构，其中由铁磁体钴(Co)和非磁性体钌(Ru)制成的人工反铁磁体以（高质量）外延生长于单晶压电体Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PMN-PT)上。所谓界面多铁性结构，是指铁磁体堆叠在压电体上的结构。众所周知，通过将施加电场产生的压电应变传递到铁磁体，可以调制其磁各向异性（磁矩沿特定方向取向的现象）等磁性特性。研究小组利用这种压电应变，；实现了人工反铁磁体中Co层间反铁磁磁耦合的控制（图1）。

图1 人工反铁磁体/压电体中通过压电应变调制反铁磁层间磁耦合的示意图。黑色箭头表示Co中的磁矩。

图2(a)显示了Co层间的反铁磁磁耦合强度与施加到样品上的电场的关系。研究发现，当对样品施加特定电场时，耦合强度出现跃变并发生显著变化。详细分析表明，该电场会在压电体PMN-PT中会产生较大的压电应变。换言之，这是捕捉到了由压电应变引起的反铁磁层间耦合的调制结果。此外，研究小组制备了具有不同Ru膜厚的样品（即反铁磁耦合强度不同的样品），并系统地研究了压电应变引起的层间磁耦合的变化量。结果首次表明，反铁磁耦合较强的样品能够更有效地控制耦合强度[图2(b)]。此外，通过微磁学模拟和第一性原理计算等计算结果，研究小组确认了压电应变引起的Ru层电子态变化会导致层间磁耦合的调制。

图2 （a）反铁磁层间磁耦合强度与施加电场的关系。红线和蓝线分别表示电场极性由负变为正（由正变为负）时的结果；（b）具有不同Ru间隔膜厚的人工反铁磁体中，压电应变引起的层间磁耦合变化的程度。Ru膜厚越薄（反铁磁耦合越强），层间磁耦合的变化越大。

这些成果为利用人工反铁磁体设计新型电场，以控制反铁磁自旋电子器件提供了指导。

研究意义

以低功耗控制反铁磁体的磁态一直是一个难题，通过将人工反铁磁体与压电体相结合，研究小组证实了在无需使用电流导致焦耳热损耗的情况下，仅使用电场即可控制层间反铁磁耦合。此外，研究小组还首次证实了可以通过改变非磁性体的膜厚来控制层间磁耦合的电场调制效率。充分利用此次发现的控制技术，有望进一步降低反铁磁自旋电子器件的功耗。

术语解释

注1）焦耳热：在有电阻的导体上施加电流时产生的热量。

注2）外延：在单晶衬底上生长具有取向一致的薄膜。

注3）人工反铁磁体：在[铁磁体/非磁性体/铁磁体]叠层结构中，两层铁磁体的磁矩以反平行方式耦合的结构。

注4）压电单晶：当对压电体施加压力时，其表面会根据压力产生正负电荷。这被称为压电效应。另一方面，当对压电体施加电场时，会发生形变。这被称为逆压电效应。本研究中，研究小组利用这一逆压电效应，将应变传递到在压电体上生长的人工反铁磁体，从而调制反铁磁层间的磁耦合。

注5）层间磁耦合：在人工反铁磁体中，两个铁磁体之间产生的磁耦合。这种层间磁耦合的强度可以通过改变非磁性体的膜厚来控制。

注6）（反铁磁）自旋电子学器件：利用电子的电荷和角动量（自旋）这两个自由度来创造新的物理现象的学术领域被称为自旋电子学。利用这些性质的电子器件被称为自旋电子器件。近年来，将自旋以反平行方式耦合的反铁磁体、应用于自旋电子器件的反铁磁自旋电子学正受到广泛研究。

注7）微磁学模拟：一种对亚微米级磁体内部的磁行为进行数值分析的方法。

注8）第一性原理计算：一种不依赖实验值或经验规律，而是基于量子力学基本原理来计算物理量的方法。

注9）界面多铁性结构：通常指铁磁体与压电体的叠层结构。通过压电体的压电应变，可以改变铁磁体的磁特性。本研究中，研究小组重点研究了一种新型界面多铁性结构，使用人工反铁磁体代替铁磁体进行。

https://www.nagoya-u.ac.jp/researchinfo/result/upload_images/20251210_sci.pdf

https://doi.org/10.1002/advs.202517798

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