康奈尔大学科学家在测量和控制氧化镍中的自旋方面进行了新尝试，着眼于提高电子设备的速度和存储容量。其研究论文《反铁磁性Pt/NiO异质结构中自旋-扭矩转换的自旋Seebeck成像》发表在《物理评论X》期刊上。研究作者Greg Fuchs是应用和工程物理学副教授，其专业之一是自旋电子学--研究自旋(一种可以记录信息的角动量)：控制电子的磁性。Fuchs和研究团队正在努力了解如何测量和操纵这种磁性。

Fuchs开创了一种名为磁热显微镜的技术，而不是用传统形式的磁性显微镜测量磁性，其中材料受到光、电子或X射线的轰击。在这种方法中，热量被施加到微小区域中的材料上，并且该区域中的磁性由产生的电压来测量。这使得研究团队可以看到当操纵磁性材料的自旋时会发生什么。研究人员一直在探索反铁磁性材料，这类材料的独特之处在于，它们各自的磁性元素（即根据方位记忆信息的微小片段）不会产生磁场。

因此，可以紧密地包装在一起而不会相互干扰，从而潜在地实现了高密度存储。反铁磁体是更快的铁磁体兄弟，更传统的磁性材料，确实会产生磁矩，反铁磁体具有运行速度快一千倍的潜力。但是理解反铁磁性材料的行为并不容易，反铁磁性材料很难研究，因为每隔一个自旋点都在相反的方向，所以没有净磁化。它不会产生磁场，并不真正符合传统的磁场测量方法。有专门的X光设备可以做到这一点，但数量不多，这就限制了可以进行的测量，所以选择很少。

研究团队通过挑选合适的反铁磁性材料（氧化镍）设计了一个巧妙的最终解决方案，它包含多个自旋面，每隔一个自旋面的自旋指向相反的方向。在铂和氧化镍的夹层中，边界上的自旋全部平行排列，使得研究人员可以使用热流来测量自旋的方向，而不会抵消信号。这种被称为“界面自旋Seebeck效应”的效应以前已经在铁磁金属和绝缘体中得到证实，但只在反铁磁体中进行了理论推导。以前没有人演示过它，更不用说用标准桌面实验室设备来对反铁磁性样品进行成像了。

反铁磁体成像使科学家能够在显微镜下观察它们对外部刺激(如电流)的反应。该研究的主要作者、应用物理学博士生以赛亚·格雷(Isaiah Gray)说：这些细节在试图制造反铁磁记忆体装置时至关重要。通常认为反铁磁体是一个相当坚硬的坚果，这样一个相对简单的方法能奏效，实属令人惊讶。这开启了一个全新的领域，可以在反铁磁性装置中做什么，现在科学家们可以控制这些材料的纹理，然后看看自旋是如何定向的。

博科园｜研究/来自：康奈尔大学

参考期刊《物理评论X》

DOI: 10.1103/PhysRevX.9.041016

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