Антиферромагнитная стенка домена в ферримагнитных билидерах, управляемая магнитным эффектом Спина Холла

Магнетизм, невосприимчивый к внешним полям

Современная электроника хранит и передаёт информацию, перемещая электрический заряд. Спинтроника стремится шагнуть дальше, используя крошечные магнитные «спины» электронов, обещая более быстрые, холодные и компактные устройства. Однако серьёзным препятствием является то, что многие наиболее привлекательные магнитные состояния очень трудно контролировать. В этом исследовании показано, как укротить одно такое состояние — антиферромагнитный порядок — при помощи умно спроектированных магнитных материалов и нестандартного спинового тока, что открывает путь к надёжным запоминающим устройствам, устойчивым к внешним полям.

Почему антиферромагнетики соблазнительны и почему они трудны в обращении

В обычных магнитах многие спины выстраиваются в одном направлении, создавая суммарное магнитное поле, которым можно управлять внешними магнитами. В антиферромагнетиках соседние спины направлены в противоположные стороны, взаимно компенсируя поле. Это делает их почти невидимыми для внешних магнитных полей, что идеально для плотно упакованных элементов памяти, которые не мешают друг другу. Но та же самая невосприимчивость затрудняет их управление и переключение. Учёные поэтому обращают внимание на ферримагнетики — материалы, в которых две разновидности магнитных атомов антипараллельны, но не полностью скомпенсированы, — как на более простую модель, которая может имитировать поведение антиферромагнетиков, оставаясь при этом отзывчивой к полям и токам.

Создание скрытой магнитной границы

Авторы используют ферримагнитный сплав на основе гадолиния (Gd) и кобальта (Co), где моменты Gd и Co направлены в противоположные стороны. Слегка изменяя состав Gd и Co в разных слоях, они формируют верхний слой, доминирующий по Gd, над нижним слоем, доминирующим по Co. Поскольку атомы немного перемешиваются на интерфейсе, возникает плавный переход от одного состава к другому. Прямо в середине этого перехода суммарная намагниченность почти исчезает, хотя субмоментa Gd и Co остаются противоположными. Эта область естественным образом формирует так называемую стенку домена с антиферромагнитной характером, выступая как буквально бритвенно‑тонкая граница между двумя магнитными состояниями, невосприимчивая к внешним полям.

Использование нового типа спинового тока

Чтобы манипулировать этой скрытой границей, команда обращается к магнитному эффекту Спина Холла, родственному более известному эффекту Спина Холла, при котором электрический ток порождает поток спинов. В обычной версии направление спина фиксировано кристаллической структурой и не зависит от намагниченности, поэтому вклады от двух слоёв на интерфейсе обычно компенсируют друг друга. В магнитном эффекте Спина Холла, напротив, спин‑орбитальное взаимодействие действует совместно с намагниченностью, так что направление спинового тока зависит от ориентации моментов. В их GdCo‑билидере проводящие электроны в основном следуют за моментами Co. Поскольку спины Co в двух слоях направлены в противоположные стороны, образующиеся спиновые токи на интерфейсе суммируются вместо компенсации, создавая сильный поток спинов, направленных перпендикулярно плоскости слоя.

Наблюдение и управление невидимой стенкой

Этот перпендикулярный спиновый ток действует как локализованный магнитный «толчок» на межфазную стенку домена, немного наклоняя часть её намагниченности вне плоскости плёнки. Хотя суммарная намагниченность почти равна нулю, этот небольшой наклон можно зафиксировать через аномальный эффект Холла — электрический сигнал, отслеживающий внеплоскостные магнитные компоненты. Измеряя это сопротивление Холла при изменении магнитного поля и температуры, исследователи подтверждают, что сигнал действительно исходил от межфазной стенки и что сама стенка ведёт себя как антиферромагнитная, невосприимчивая к полю. Важно, что при изменении направления или величины электрического тока сигнал Холла изменяется линейно, демонстрируя, что магнитный эффект Спина Холла способен надёжно изменять внутреннюю структуру стенки и даже обращать её «право‑левую» симметрию — микроскопическую хиральность.

От фундаментальной физики к будущей памяти

Проще говоря, работа демонстрирует рецепт создания крошечной, устойчивой магнитной границы, которая игнорирует внешние магнитные поля, но при этом высокочувствительна к спиновым токам, генерируемым внутри материала. Тщательно спроектировав ферримагнитные билидеры и использовав магнитный эффект Спина Холла, авторы добиваются электрического управления антиферромагнитоподобной стенкой домена в аморфном сплаве. Это сочетание стабильности и настраиваемости может стать строительным блоком для будущих трёхмерных спинтроник‑памятей, где информация хранится в стопках таких стенок, которые можно перемещать или перенаправлять с помощью небольших электрических токов вместо громоздких магнитных полей.

Цитирование: Ko, S., Kim, H., Han, D. et al. Antiferromagnetic domain wall in ferrimagnetic bilayers controlled by magnetic spin Hall effect. npj Spintronics 4, 6 (2026). https://doi.org/10.1038/s44306-026-00126-2

Ключевые слова: спинтроника, антиферромагнетик, ферримагнетик, эффект Спина Холла, магнитная память