2019年1月7日，《Nature Nanotechnology》在線發表了北京航空航天大學材料科學與工程學院劉知琪教授課題組的研究成果“A Piezoelectric, Strain-Controlled Antiferromagnetic Memory Insensitive to Magnetic Fields”。該研究采用電場操控的壓電應力對反鐵磁MnPt的自旋軸和電阻進行了非易失性調控，實現了可抵抗超強磁場并具有超低功耗的反鐵磁記憶器件。

反鐵磁自旋電子學的核心是如何有效操控反鐵磁材料的自旋態。前期的研究主要采用電流產生的自旋-軌道力矩來實現自旋軸的轉動，在強磁場下，電流感受到強大的洛倫茲力會產生偏折，從而使得數據擦/寫效果大打折扣，因此很難發揮反鐵磁材料抵抗磁場的優勢。

劉知琪教授課題組前期發表在《Nature Electronics》上的研究使用電場產生的壓電應力，實現了對反鐵磁材料自旋結構的有效調控 [Nature Electronics 1, 172 (2018)]。基于此項研究，他們將MnPt納米薄膜生長在鐵電單晶材料PMN-PT上，通過外加電場在PMN-PT單晶基片上產生的壓電應力，有效地改變了MnPt薄膜中反鐵磁自旋軸的取向（圖1），由于反鐵磁材料的各項異性磁電阻效應，使得MnPt合金的電阻發生了改變，從而產生了不同的電阻態，可用于二進制信息存儲中“0”和“1”的編碼（圖2）。

圖1. MnPt薄膜中反鐵磁自旋軸在外加電場下的調控示意圖

利用這種電場產生的壓電應力對數據進行擦/寫，數據寫入過程中沒有電流的參與，即使在外加強磁場如9 或者14 特斯拉（T）下，數據寫入和存儲不受任何影響（圖2）。也就是說，用這種器件制成的硬盤可以在強磁場下正常運行。

圖2. 采用電場在基于MnPt的反鐵磁記憶器件中寫入的高低阻態

在此基礎上，劉知琪教授課題組和華中科技大學國家脈沖強磁場科學中心的朱增偉教授課題組合作，測試了反鐵磁材料MnPt在超強脈沖磁場60 T（地球磁場強度的120萬倍）下的響應。實驗發現由于MnPt合金很強的反鐵磁耦合，其電阻態在60 T下幾乎不變化（~0.1%）（圖3），從而證實了這種記憶器件的數據態即使在60 T超強磁場下也不會產生“消磁”效應，也將反鐵磁材料抵抗磁場的優勢推向了極致。也就是說,用這種材料做成的硬盤，其中所保存的數據即使在60 T的超強脈沖磁場下也不會消磁。

圖3. 基于MnPt的反鐵磁記憶器件的電阻態在超強脈沖磁場下的響應

基于壓電應力對MnPt薄膜中反鐵磁自旋軸的調控,劉知琪教授課題組還制備出了反鐵磁隧道結器件,在室溫下實現了11.2%的電阻調控（圖4），從而克服了之前的反鐵磁隧道結很難在室溫下工作的不足，并將這種新型器件向高密度集成方向推進了重要的一步。

圖4. 電場操控的MnPt反鐵磁隧道結

審稿專家評論道：“此項工作的一個重要點就是反鐵磁材料的記憶電阻態在超強脈沖磁場下非常穩定”。該項工作得到了華中科技大學國家脈沖強磁場科學中心的大力支持，該中心的脈沖強磁場實驗裝置是亞洲目前唯一可提供高達90T磁場強度實驗條件的科研平臺。