由自旋转移矩驱动的高迁移惯性反铁磁畴壁在尖晶石氧化物中

未来存储芯片中的竞速畴壁

现代设备依赖于能快速切换且尽可能节能的存储器。本研究探索了一种特殊的磁性材料，其中磁体内部的不可见边界——畴壁，可以被短电脉冲推动到创纪录的速度。理解并控制这些微小移动的畴壁，有望带来更快、发热更少的存储与逻辑芯片，以新的方式存储和处理信息。

一种新型的磁性赛道

工程师长期梦想的“赛道存储”是将比特信息作为沿狭长条带的磁性区域存放并来回移动，而不是物理搬运。难点在于以适度的电流快速滑动这些区域。本工作聚焦于一种称为 NiCo2O4 的反铁磁氧化物，它作为超薄薄膜在晶体基底上生长。这种材料结合了低整体磁化、高电导率和高度极化的电子自旋，理论预测这些特性应允许畴壁以低能耗迅速移动。

观测隐蔽的磁性边界

在推动畴壁之前，团队首先需要了解它们的形状和内部扭曲。他们使用基于单个钻石缺陷的扫描传感器，以纳米级精度绘制薄膜上方的微小磁场。通过拟合这些场分布，他们发现畴壁为布洛赫型，即穿过畴壁时磁化向侧向转动。测量还显示，一种常使畴壁扭曲成另一种形态的相互作用在这里基本不存在。这样的良好结构使得在施加电流时运动更可预测。

用温和电流推动畴壁

为了驱动畴壁，研究人员沿着图案化的材料条发送短电流脉冲，并用检测反射光微小变化的显微镜观测由此产生的运动。他们观察到畴壁沿电流方向移动，速度在电流密度低于许多竞争材料的情况下仍超过每秒一千米。更为显著的是，在比通常所需电流弱一到两个数量级的条件下，畴壁就开始以可测的速度移动。通过谨慎比较相反电流方向和磁场下的运动，团队表明畴壁的移动主要由自旋转移矩驱动——电流电子的自旋对局域磁化施加推动力的过程。

纳米尺度的惯性与高效运动

当电流脉冲结束时，该材料中的畴壁并不会瞬间停止。相反，它们在约十亿分之一秒的时间尺度上继续滑动，表明它们具有类似具有质量的微小物体的惯性。通过改变脉冲长度，研究人员观察到较短的脉冲实际上产生了更高的平均速度，因为大量位移发生在脉冲关闭之后。该行为使他们能够估算畴壁的加速与减速速率，揭示出约一纳秒的特征时间，短于许多铁磁体中观测到的值。从这些测量中，他们还提取出参数，表明该氧化物中非绝热部分的转矩在反铁磁体系中尤为强，并且异常大。

对未来器件的意义

综合这些发现，NiCo2O4 突显为一种在相对低电流下畴壁移动极快、且其惯性与内部结构已被定量理解的材料。与用于类似器件的其他金属和氧化物相比，这类尖晶石氧化物在速度与位移比特所需能耗之间提供了有吸引力的平衡。由于它还支持用超快激光脉冲进行光学控制，这一类反铁磁尖晶石材料可能为未来结合电学与光学控制磁性的存储与计算技术提供基础。

引用: Wu, M., Ding, S., van Schie, L. et al. High-mobility inertial domain walls driven by spin-transfer torque in a ferrimagnetic spinel oxide. Nat Commun 17, 4672 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71290-6

关键词: 自旋电子学, 畴壁运动, 反铁磁氧化物, 自旋转移矩, 赛道存储