Une magnétorésistance tunnel géante apparaît dans un antiferromagnétique

Des chercheurs chinois ont observé une magnétorésistance tunnel géante (TMR) dans une jonction tunnel magnétique fabriquée à partir de l'antiferromagnétique CrSBr. Une fois refroidie à une température de 5 K, la nouvelle structure présentait une magnétorésistance de 47,000 50 % - supérieure aux jonctions tunnel magnétiques commerciales - et elle conservait 130 % de cette TMR à XNUMX K, ce qui est bien au-dessus du point d'ébullition de l'azote liquide. Selon ses développeurs, la structure peut être fabriquée d'une manière compatible avec le processus de pulvérisation magnétron utilisé pour fabriquer des dispositifs de spintronique conventionnels. Ces qualités, associées au fait que CrSBr est stable dans l'air, en font une plate-forme candidate prometteuse pour les dispositifs spintroniques, disent-ils.

Les jonctions tunnel magnétiques standard (MTJ) sont constituées de deux ferromagnétiques séparés par un matériau de barrière non magnétique. On les trouve dans une foule de technologies de spintronique, y compris les mémoires magnétiques à accès aléatoire, les capteurs magnétiques et les dispositifs logiques.

Les jonctions basées sur des antiferromagnétiques de van der Waals (vdW) de type A tels que CrSBr et d'autres halogénures de chrome sont une alternative intéressante aux MTJ conventionnels grâce à leur magnétorésistance à effet tunnel exceptionnellement élevée. Ils fonctionnent grâce à l'effet de filtre de spin, dans lequel les spins électroniques (ou moments magnétiques) des atomes de chrome dans CrSBr sont couplés de manière ferromagnétique à d'autres atomes de leur couche et couplés de manière antiferromagnétique aux atomes des couches voisines. En d'autres termes, les spins s'alignent parallèlement les uns aux autres dans les couches simples et antiparallèles les uns aux autres entre les couches voisines.

Bien que la haute résistance à l'effet tunnel de ces MTJ dits à filtre de spin (sf-MTJ) en fasse de bons candidats pour les mémoires magnétiques, ils présentent certains inconvénients. Notamment, les matériaux à partir desquels ils sont fabriqués ont tendance à être instables et susceptibles de perdre leur magnétisme à des températures élevées. Cela rend difficile leur utilisation dans des dispositifs spintroniques pratiques.

Surmonter les défis de fabrication

Dans la dernière étude, des chercheurs dirigés par Guoqiang Yu du Laboratoire national de Pékin pour la physique de la matière condensée développé une nouvelle technique de fabrication pour ces matériaux recherchés. En collaboration avec des collègues de Pékin, Dongguan et Wuhan, ils ont commencé par déposer une bicouche de platine (Pt) et d'or (Au) sur Si/SiO₂ wafers utilisant la pulvérisation magnétron DC.

Ensuite, les membres de l'équipe ont mécaniquement rasé de minces flocons de CrSBr d'un échantillon du matériau en vrac et les ont placés sur le Si/SiO₂/Substrats Pt/Au. Cela leur a permis d'obtenir des flocons de CrSBr relativement fins sur Pt/Au avec des surfaces propres et fraîches. À ce stade, les chercheurs ont déposé une autre couche de platine sur le CrSBr avec une puissance de pulvérisation ultra-faible de 3 à 5 W et une pression de dépôt relativement élevée d'environ 1 Pa. Enfin, ils ont utilisé la lithographie ultraviolette et le fraisage d'ions Ar pour fabriquer plusieurs sf -MTJs de la structure en couches qu'ils ont créée.

Des propriétés prometteuses

Les nouveaux sf-MTJ ont de nombreuses caractéristiques favorables. "La première est que la voie que nous avons utilisée pour les fabriquer est plus compatible avec celles utilisées pour fabriquer des empilements métalliques de spintronique conventionnels", explique Yu. "La seconde est qu'ils conservent 50% de leur TMR même à une température de 130 K, qui est jusqu'à présent la température de travail record pour les sf-MTJ."

Yu souligne que cette température de fonctionnement record n'est pas loin en dessous de la température dite de Néel du CrSBr, au-delà de laquelle l'énergie thermique du matériau empêche ses moments de rotation de s'aligner. Cette température de fonctionnement relativement élevée présente un avantage pratique important, ajoute Yu. "Par rapport aux jonctions précédentes de ce type, nos sf-MTJ pourraient fonctionner dans la plage de température de l'azote liquide et peut-être même à température ambiante", observe-t-il. "Et grâce à leur stabilité dans l'air, ils sont plus adaptés aux applications du monde réel."

Un grand piézomagnétisme apparaît dans un antiferromagnétique

Ce n'est pas tout. CrSBr est également un semi-conducteur, de sorte que ses couches voisines ont des moments magnétiques opposés à des champs magnétiques nuls ou faibles. Cela signifie qu'il peut être utilisé comme couche barrière à basse température. « Dans cette configuration, tous les électrons, spin-up ou spin-down, doivent rencontrer une hauteur de barrière plus élevée après avoir été polarisés dans un sens de spin ou un autre en traversant la première couche car la couche suivante a une orientation de spin opposée, donnant lieu à à une plus grande résistance à l'effet tunnel », explique Yu Monde de la physique. "Lorsque le champ magnétique appliqué est suffisamment grand, tous les moments magnétiques sont alignés avec ce champ et, dans ce cas, les électrons avec des spins parallèles à la direction du champ rencontrent une hauteur de barrière plus faible, ce qui entraîne une résistance à l'effet tunnel plus faible."

Les chercheurs, qui rapportent leurs travaux Lettres de physique chinoise, suggèrent que les nouvelles jonctions pourraient être utilisées dans des dispositifs spintroniques basés sur un empilement de quelques couches de CrSBr. "Notre étude a révélé que les sf-MTJ basés sur des antiferromagnétiques 2D vdW de type A ont des propriétés exceptionnelles", déclare Yu. "Nous allons maintenant essayer de trouver un ferromagnétique 2D vdW de type A avec une température de Néel plus élevée pour améliorer encore la température de travail de la jonction que nous avons réalisée afin qu'elle soit plus adaptée aux applications."

Un autre défi, selon les chercheurs, sera de trouver un moyen de manipuler électriquement l'aimantation sur l'antferromagnétique de type A afin qu'ils puissent construire des dispositifs spintroniques pleinement fonctionnels.

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• La source: https://physicsworld.com/a/giant-tunnelling-magnetoresistance-appears-in-an-antiferromagnet/