表明电子自旋存在的著名实验（一种新的自旋电子现象）

一个优值图，定义为控制磁结构的临界场HC与临界电流密度JC的比值，作为非共线反铁磁(NC-AFM)的磁层厚度的函数，如本研究所见。这里还显示了以前研究的共线铁磁体(C-Ferro)和铁磁体(C-Ferri)。来源:S.Fukami

日本东北大学和日本原子能机构(JAEA)的研究人员发现了一种新的自旋电子现象——手性自旋结构的持续旋转。

他们的发现于2021年5月13日发表在《自然材料》杂志上。

日本东北大学和JAEA的研究人员研究了非共线反铁磁Mn3Sn薄膜的手性自旋结构对电子自旋注入的响应，发现该手性自旋结构在零磁场下表现出持续的旋转。此外，它们的频率可以通过施加电流来调节。

在过去的四分之一个世纪里，磁性结构的电气控制一直是自旋电子学领域最重要的兴趣。这里显示的现象提供了一个非常有效的方案来操纵磁性结构，提供了新的应用机会，如振荡器、随机数生成器和非易失性存储器，”Shunsuke Fukami教授说，他领导了这个项目。

图1比较了在非共线反铁磁体上操纵磁性结构的效率，如在本工作中所见，与报道的其他材料系统的效率。电流诱导的手旋旋转即使对于大于20nm的厚磁层也更有效。

手旋旋转原理图和实验装置如图2所示。

本研究发现了一个实验和手性自旋持续旋转的原理图。来源:S.Fukami

研究人员使用了一种高质量的异质结构，该异质结构由夹在重金属W/Ta和Pt之间的非共线反铁磁Mn3Sn组成。由于重金属中产生的自旋电流产生的转矩，使得手性自旋结构在零磁场下持续旋转。同时，旋转频率，通常在1 GHz以上，取决于施加电流。

自旋电子学是一个跨学科的领域，电子的电和磁自由度同时被利用，允许对磁性结构进行电操纵。到目前为止建立的代表性方案总结在图3中。

磁性开关、磁相变、振荡和共振在铁磁体中被观察到，这是很有前途的，因为它们可能导致在非易失性存储器、无线通信等功能器件的实现。

磁性电气控制的典型例子。来源:S.Fukami

此外，在反铁磁体中，发现了共线系统中Néel矢量的90度旋转和非共线系统中手性自旋结构的180度转换。目前研究的手性自旋持续旋转现象与以往发现的现象完全不同，为自旋电子学的研究开辟了新的领域。

该论文的第一作者竹内祐太郎博士补充说:“所获得的见解不仅在物理学和材料科学方面很有趣，而且在功能设备应用方面也很有吸引力。”“我们希望在不久的将来进一步改进材料和器件技术，并展示新的功能器件，如可调谐振荡器和高质量的真随机数发生器。”