La magnetoresistenza a effetto tunnel gigante appare in un antiferromagnete

I ricercatori in Cina hanno osservato la magnetoresistenza a effetto tunnel gigante (TMR) in una giunzione tunnel magnetica realizzata dall'antiferromagnete CrSBr. Quando è stata raffreddata a una temperatura di 5 K, la nuova struttura ha mostrato una magnetoresistenza del 47,000% - superiore alle giunzioni tunnel magnetiche commerciali - e ha mantenuto il 50% di questo TMR a 130 K, che è ben al di sopra del punto di ebollizione dell'azoto liquido. Secondo i suoi sviluppatori, la struttura può essere fabbricata in modo compatibile con il processo di magnetron sputtering utilizzato per realizzare dispositivi spintronici convenzionali. Queste qualità, insieme al fatto che CrSBr è stabile nell'aria, ne fanno una promettente piattaforma candidata per dispositivi spintronici, dicono.

Le giunzioni tunnel magnetiche standard (MTJ) sono costituite da due ferromagneti separati da un materiale barriera non magnetico. Si trovano in una serie di tecnologie spintroniche, tra cui memorie magnetiche ad accesso casuale, sensori magnetici e dispositivi logici.

Le giunzioni basate su antiferromagneti van der Waals (vdW) di tipo A come CrSBr e altri alogenuri di cromo sono un'interessante alternativa agli MTJ convenzionali grazie alla loro magnetoresistenza di tunneling insolitamente elevata. Funzionano grazie all'effetto spin-filter, in cui gli spin elettronici (o momenti magnetici) degli atomi di cromo in CrSBr sono accoppiati ferromagneticamente ad altri atomi nel loro strato e accoppiati antiferromagneticamente agli atomi negli strati vicini. In altre parole, gli spin si allineano paralleli tra loro nei singoli strati e antiparalleli tra strati vicini.

Sebbene l'elevata resistenza al tunneling di questi cosiddetti MTJ spin-filter (sf-MTJ) li renda buoni candidati per le memorie magnetiche, presentano alcuni inconvenienti. In particolare, i materiali di cui sono fatti tendono ad essere instabili e inclini a perdere il loro magnetismo alle alte temperature. Ciò rende difficile il loro utilizzo in pratici dispositivi spintronici.

Superare le sfide di fabbricazione

Nell'ultimo studio, i ricercatori guidati da Guoqiang Yu del Laboratorio nazionale di Pechino per la fisica della materia condensata sviluppato una nuova tecnica di fabbricazione per questi materiali desiderabili. Lavorando con colleghi a Pechino, Dongguan e Wuhan, hanno iniziato depositando un doppio strato di platino (Pt) e oro (Au) su Si/SiO₂ wafer utilizzando lo sputtering di magnetron DC.

Successivamente, i membri del team hanno tagliato meccanicamente sottili scaglie di CrSBr da un campione del materiale sfuso e le hanno posizionate sul Si/SiO₂substrati /Pt/Au. Ciò ha permesso loro di ottenere scaglie di CrSBr relativamente sottili su Pt/Au con superfici pulite e fresche. A questo punto, i ricercatori hanno depositato un ulteriore strato di platino sul CrSBr con un potere di sputtering ultrabasso di 3-5 W e una pressione di deposizione relativamente alta di circa 1 Pa. Infine, hanno utilizzato la litografia ultravioletta e la fresatura di ioni Ar per fabbricare diversi sf -MTJ dalla struttura a strati che hanno creato.

Proprietà promettenti

I nuovi sf-MTJ hanno molte caratteristiche favorevoli. "Il primo è che il percorso che abbiamo impiegato per realizzarli è più compatibile con quelli impiegati per fabbricare stack metallici spintronici convenzionali", spiega Yu. "Il secondo è che mantengono il 50% del loro TMR anche a una temperatura di 130 K, che è finora la temperatura di lavoro più alta per gli sf-MTJ".

Yu sottolinea che questa temperatura operativa record non è molto al di sotto della cosiddetta temperatura Néel di CrSBr, oltre la quale l'energia termica del materiale impedisce ai suoi momenti di rotazione di allinearsi. Questa temperatura di esercizio relativamente elevata comporta un importante vantaggio pratico, aggiunge Yu. "Rispetto a precedenti giunzioni di questo tipo, i nostri sf-MTJ potrebbero funzionare nell'intervallo di temperatura dell'azoto liquido e forse anche a temperatura ambiente", osserva. "E grazie alla loro stabilità in aria, sono più adatti alle applicazioni del mondo reale."

Un grande piezomagnetismo appare in un antiferromagnete

Non è tutto. CrSBr è anche un semiconduttore, quindi i suoi strati vicini hanno momenti magnetici opposti a campi magnetici nulli o piccoli. Ciò significa che può essere utilizzato come strato barriera a basse temperature. “In questa configurazione, tutti gli elettroni, spin-up o spin-down, devono incontrare un'altezza di barriera maggiore dopo essere stati polarizzati in una direzione di spin o in un'altra passando attraverso il primo strato perché lo strato successivo ha un orientamento di spin opposto, dando origine a una maggiore resistenza al tunneling", dice Yu Mondo della fisica. "Quando il campo magnetico applicato è sufficientemente grande, tutti i momenti magnetici sono allineati con questo campo e, in questo caso, gli elettroni con spin paralleli alla direzione del campo incontrano un'altezza di barriera inferiore, che si traduce in una minore resistenza al tunneling".

I ricercatori, che riportano il loro lavoro in Lettere cinesi di fisica, suggeriscono che le nuove giunzioni potrebbero essere utilizzate in dispositivi spintronici basati su una pila di pochi strati di CrSBr. "Il nostro studio ha rivelato che gli sf-MTJ basati su antiferromagneti 2D vdW di tipo A hanno alcune proprietà eccezionali", afferma Yu. "Ora cercheremo di trovare un ferromagnete di tipo A 2D vdW con una temperatura Néel più elevata per migliorare ulteriormente la temperatura di lavoro della giunzione che abbiamo realizzato in modo che sia più adatta alle applicazioni".

Un'ulteriore sfida, affermano i ricercatori, sarà trovare un modo per manipolare elettricamente la magnetizzazione sull'antiferromagnete di tipo A in modo da poter costruire dispositivi spintronici perfettamente funzionanti.

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