不久前，一支國際科學家團隊在反鐵磁性材料霍爾效應(Hall effect)方面的研究取得了顯著進展，這將為下一代記憶體奠定基礎。由於電子自旋的結果，由於電子自旋而表現出內部磁性，但基本上不存在外部磁場。由於沒有外部磁場，可支援更密集的位元儲存，這使它們成為資料儲存的理想選擇。

相比之下，傳統磁儲存系統中使用的傳統鐵磁材料並非如此。在這種情況下，這些位元會產生磁場，這使得保持它們的接近度以防止相互串繞變得更具挑戰性。

反鐵磁性和鐵磁性材料的一個關鍵特性是霍爾效應，即電壓垂直於電流方向。電壓的符號由向上或向下的箭頭表示，因此由1或0表示。十多年來，在反鐵磁性材料中，這種效應已成為物理學的基礎，但仍有某些問題尚待解決。

來自日本東京大學(University of Tokyo)、美國康奈爾大學(Cornell University)、約翰．霍普金斯大學(Johns Hopkins University)及英國伯明罕大學(University of Birmingham)的一組研究人員，對Weyl反鐵磁體(antiferromagnet，此指Mn3Sn材料)中的自發霍爾效應提出了解釋。這一發現發表在《自然物理學》(Nature Physics)雜誌上，對鐵磁體和反鐵磁體都有影響。

數位電子

數位運算的基礎是讀取、寫入和刪除二進位資料狀態的能力。電晶體作為一種半導體元件，可以切換電訊號，作為一個可以代表0或1的位元。

因此，通常將電晶體稱為基本邏輯閘或數位元件。本質上，它充當的是一個儲存單元。然後，電晶體小型化，以及將越來越多的電晶體整合到矽片上的能力，推動了功率和處理能力的擴展。

由於摩爾定律(Moore’s law)將趨於失效，並且正在迅速接近一個臨界壁壘，科學家們正在爭先恐後地尋找替代方案。其中一個想法就是如何利用物質的量子態執行二進位運算。

而存取原子或電子的自旋狀態則是另一種選擇。自旋電子(spintronic)是一種允許利用電荷狀態以外的其他狀態進行讀/寫操作的運算類型。

對於量子運算(quantum computing)、神經形態運算(neuromorphic computing)和高功率資料儲存領域的發展，自旋電子設備具有潛在的意義。與傳統元件相比，這些元件具有更快的資料處理速度和更高的電晶體密度。

電子自旋

電子的自旋(量子量)本質上揭示了電子的角動量。在經典物理學中雖然沒有類似的量，但透過比較，發現粒子在其自身軸線內旋轉。

該量的唯一可想像值為+1/2和-1/2，其中符號反映了兩個可能的方向，分別可以是「上升」/向上，或「下降」/向下。因此，電子可以被認為是微小的磁鐵，以地球繞太陽旋轉的方式圍繞元素的原子核。每個電子相對於原子核都有自己獨特的自旋方向，可以沿兩者中的任一方向排列。

自旋是資訊編碼的一個完美選擇，因為它只接受這兩個值，類似於二進位程式碼使用0和1的方式。因此，自旋電子的概念以一種新的電子形式得以發展。與二進位程式碼類似，電子的自旋狀態也是有兩個值：向上或向下，它們相當於「0」和「1」。這些值所實現的數位資訊傳送速率，比現代電晶體中使用的矽技術更快，並且具有更小的物理尺寸。

迄今為止已經證明比較困難的是，如何找到一種可用於個人電腦和智慧型手機的基於自旋電子的材料，並滿足以下兩個要求：

．能夠控制電子的自旋方向；

．具有夠長/可實現資訊傳遞的自旋「壽命」(或生命週期)。

反鐵磁性材料

對於自旋電子系統的技術實現，有一類獨特的材料(反鐵磁體)，其具有微弱或者說可忽略的外部交互磁場，這對於記憶體件的小型化至關重要。反鐵磁體的主要特性基本上如下：

．由於外部磁化為零，對外部磁場不敏感；

．與相鄰粒子無相互作用；

．開關時間短(諧振頻率為THz量級，而鐵磁體為GHz級)；

．反鐵磁性材料範圍很廣，如半導體和超導體(superconductor)。

一種有趣的材料是半金屬Mn3Sn，人們對其越來越感興趣，儘管它不是一個完美的反鐵磁體，但它也具有微弱的外部磁場。科學家團隊期望證明這種弱磁場是否是產生霍爾效應的原因。基本上，具有異常霍爾效應的反鐵磁性晶體幾乎都缺乏磁化。

圖1：120o Mn3Sn的反手性磁性結構、磁化M的壓磁控制以及其方向與階參數K的偏離示意圖。

(來源：Nature Physics)

霍爾效應

霍爾效應中的帶電粒子沿導電方向橫向漂移，與外部磁場垂直。在異常霍爾效應中可以看到類似的行為，但由於導電材料的晶格結構產生了自己的磁場，因此不存在外部磁場。異常霍爾效應使研究人員能夠研究反鐵磁體的特性，包括將機械形變與磁矩感應自發地結合在一起的壓磁。

一些反鐵磁性和鐵磁性晶體表現出一種稱為壓磁的現象：即系統的機械張力與磁極化之間存在著線性關係。透過在壓磁材料上施加物理應變，可以產生自發磁矩；反之，利用提供磁場，就可以引起物理形變。因此，與磁致伸縮不同，它允許對磁矩進行雙向調節。這類似於電氣中的壓電，如果這種現象能在環境溫度下增加尺寸，則在技術上可能是有用的。

根據作者在《Nature Physics》上發表的文章——「室溫下反鐵磁體中異常霍爾效應的壓磁開關」(Piezomagnetic Switching of the Anomalous Hall Effect in an Antiferromagnet at Room Temperature)，壓磁效應的研究主要局限於低溫下的反鐵磁絕緣體，該研究科學家團隊最近在常溫下發現了Mn3Sn中的壓磁。

透過使用Mn3Sn，發現應用0.1%量級的小單軸應變可以控制異常霍爾效應的符號和大小。

實驗

研究團隊對Weyl反鐵磁體的測試說明，施加應力會導致外部殘餘磁場的增強。如果霍爾效應是由磁場引起，那麼材料兩端的電壓就會發生變化。研究人員證明，電壓實際上並沒有顯著變化；相反，他們斷定霍爾效應是由材料內自旋電子的取向引起。

Mn3Sn保持微弱的外部磁場。研究人員在文中指出，他們尚無法證明對材料兩端的電壓沒有相應的影響，而材料內自旋電子的排列是導致異常霍爾效應的原因。

這樣，可以為反鐵磁晶體施加微小的單軸變形來微調反常霍爾效應，從而可以利用壓磁來調節Mn3Sn中的反常霍爾效應，其方式不同於單軸變形磁化(傳統上，異常霍爾效應的功能控制是透過施加外部磁場實現)。

根據科學家的說法，這項實驗證明了產生霍爾效應的原因是傳導電子與其自旋之間的量子相互作用，這些發現對於理解和發展磁記憶技術至關重要。該實驗揭示了應變引起的晶格變化，以及某些材料中電子的各向異性，可以用來調節異常霍爾效應。

已有幾種自旋電子記憶體元件開始被使用。儘管也依賴於鐵磁開關，磁阻隨機存取記憶體(MRAM)已經商用，並可能取代電子記憶體。使用與MRAM中鐵磁體相同的技術，在實驗中能夠誘導反鐵磁性材料Mn3Sn作為直接的儲存裝置，這種材料中的自旋狀態切換功能已得到驗證。

(參考原文：Antiferromagnetic Materials Add Value to Memory Storage，by Maurizio Di Paolo Emilio)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2023年2月號

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