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量子材料團隊陸成亮教授在反鐵磁電子學領域取得進展
發布時間:2019-05-24

2019年5月23日,华中科技大学物理学院量子材料团队在《自然?通讯》(Nature Communications)上发表了题为《Giant anisotropic magnetoresistance and nonvolatile memory in canted antiferromagnet Sr2IrO4》的研究論文。陸成亮教授和東南大學董帥教授爲共同通訊作者,我院16級博士生王好文爲第一作者,南京大學劉俊明教授深度參與了這項工作。

近現代科學與技術完美結合的典型實例當屬于巨磁電阻效應(GMR)在信息存儲上的應用。這一應用極大提升了我們的生活水平和幸福指數,發現者也獲得了2007年諾貝爾物理獎。然而社會的進步和科技的發展對信息科學提出了更爲迫切的需求,例如更快寫入/讀取、更高容量、更高效率等。面對這些需求,傳統的以鐵磁材料爲核心的自旋電子學器件體現出了明顯局限性。在這一大背景下,反鐵磁電子學(Antiferromagnetronics)應運而生。

從信息存儲和處理的角度來說,反鐵磁體至少有四大獨特魅力。(1)高度穩定性:來源于反鐵磁體不表現出宏觀磁矩,因而對外界擾動不敏感;(2)適用于高密度信息存儲:反鐵磁中自旋反平行,沒有雜散場,因而信息存儲單元可以非常小;(3)快速信息處理:反鐵磁體中的自旋動力學響應在THz範疇,遠高于鐵磁體中的響應頻率(~GHz範疇);(4)反鐵磁體在自然界中有著更爲廣泛的分布,而且自旋構型非常多樣化。當前,在反鐵磁序的操控上,人們已經可以通過多種方式來實現;信息讀取上,主要的方式是通過各向異性磁電阻效應(AMR),物理基礎是磁晶各向異性能。然而,目前實驗上觀測到的AMR效應大多很弱(<1%),這也成爲該領域的一個難題。

圍繞這一關鍵科學問題,來自華中科技大學、東南大學、南京大學、武漢大學和美國Rutgers大學的聯合課題組,深入研究了Sr2IrO4单晶中的各向异性磁电阻效应。通过实验测量,他们看到晶体中的AMR数值可以高达160%,来源于类GMR效应和磁晶各向异性能的共同作用(双机制复合)。进一步,利用微量Ga替代其中的Ir,他们观测到了零磁场下的非挥发性记忆效应。并且,记忆阻态之间的转换可以通过原位加磁场实现。该工作是陆成亮教授课题组在前期工作(Advanced Functional Materials 28, 1706589 (2018), Physical Review Applied 10, 014025 (2018))基础上的推进。

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-10299-6

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