Antiferomagnetickou paměťovou buňku přepnul proud tekoucí skrz tunelový přechod

Magnetorezistivní paměť, která se dnes prodává pod zkratkou MRAM, má v každé buňce dvě feromagnetické vrstvy a mezi nimi tenký izolant. Čte se odporem: podle toho, jestli obě vrstvy míří stejně nebo proti sobě, teče skrz izolant jiný proud. Zapisuje se spinovým momentem, kdy proud stočí magnetizaci jedné z vrstev. Oba jevy se znají desítky let a stojí na nich hotové čipy.

Feromagnet s sebou ale nese dvě potíže. Navenek vytváří rozptylové magnetické pole, které určuje, jak blízko u sebe smějí buňky být, a jeho magnetizace se překlápí v řádu gigahertzů. Antiferomagnet nemá ani jedno: sousední spiny se vyruší, takže navenek žádné pole není, a výměnná interakce zrychlí dynamiku o tři řády, do terahertzů. Právě proto se u něj ale dlouho čekalo, že v tunelovém přechodu nepůjde ani číst, ani psát.

Číst už se dalo, psát ne

Čtení se podařilo v lednu 2023, a to hned dvěma skupinám naráz. Skupina z Pekingu postavila přechod Mn3Pt/MgO/Mn3Pt a naměřila na něm při pokojové teplotě odporový rozdíl maximálně kolem 100 procent. Tým z Tokia ve stejném čísle Nature popsal obdobný přechod z Mn3Sn s rozdílem asi 2 procenta. V obou případech se stav buňky přepínal vnějším magnetickým polem, později u dalších prací proudem v pomocné vrstvě těžkého kovu vedle přechodu.

Zbývala tedy druhá polovina dvojice. U feromagnetů platí, že když proud odpor měří, dokáže ho i přepsat; u antiferomagnetu se to pokládalo za vyloučené, protože celkový proud tekoucí přechodem je spinově neutrální. Nemá tedy čím na magnetický řád zatlačit.

Oktupól místo magnetizace

Práce, která vyšla 21. října 2026 v Nature, tvrdí, že čím je. Autoři kolem Pedrama Khaliliho Amiriho z Northwestern University ji nazvali oktupólem řízený spinový přenosový moment, zkratkou OTT.

Stojí to na stavbě materiálu. PtMn3 je kubický nekolineární antiferomagnet: atomy manganu leží v rovině kagome a jejich spiny svírají po trojicích úhel 120 stupňů. Celková magnetizace vyjde nulová, jenže uspořádání jako celek má směr, který popisuje veličina zvaná klastrový magnetický oktupól. Výpočty z prvních principů v článku ukazují, že vodivostní kanály napříč bariérou nepřispívají ke všem třem podmřížkám manganu stejně. Moment působící uvnitř jedné podmřížky vyjde silnější než moment mezi podmřížkami, a ta nerovnováha stačí k tomu, aby se oktupól otočil.

Co se naměřilo

Vrstvy mají tvar Pt 5 nm, PtMn3 7 nm, MgO 2 nm, PtMn3 10 nm, Pt 5 nm a Ru 10 nm. Naprašovaly se za pokojové teploty na oxidovanou křemíkovou desku o průměru 150 mm, z níž se elektronovou litografií a suchým leptáním vyřezaly kruhové válečky o průměru 50 až 200 nm.

Nejvyšší naměřený rozdíl odporu mezi oběma stavy byl 363 procent při pokojové teplotě. Hustota proudu potřebná k přepnutí se pohybovala v řádu 10 MA na centimetr čtvereční. Z měření s různě dlouhými pulzy, od 100 mikrosekund do 50 milisekund, autoři odečetli energetickou bariéru 39 kT, tedy hodnotu, která drží zapsaný stav proti tepelnému šumu.

Tři kontrolní pokusy

Nejbližší vysvětlení, které se nabízí, je že nepřepíná proud skrz přechod, ale spin-orbitální moment z platinové vrstvy pod ním. Autoři proto na téže součástce s válečkem o průměru 100 nm pouštěli proud dvojím způsobem: svisle skrz přechod a vodorovně spodní vrstvou platiny. Svislý proud stav přepnul při pulzu kolem 2 mA, vodorovný ho nezměnil ani při 4 mA.

Druhá námitka míří na teplo. Kdyby proud buňku jen ohřál nad teplotu, kde magnetický řád mizí, vypadalo by to podobně. Na dotaz recenzenta autoři zopakovali měření při 100 kelvinech, tedy hluboko pod bodem, kde se řád rozpadá, a přepínání tam funguje dál. Třetí měření jde opačným směrem: při 360 a 400 kelvinech zmizí rozdíl odporu i přepínání úplně a po ochlazení zpět na 300 kelvinů se obojí vrátí. Vnější magnetické pole buňku nepřeklopilo ani při 9 teslách.

Co zůstává otevřené

Teplotní strop je zároveň praktický limit. PtMn3 přechází nad pokojovou teplotou z nekolineárního uspořádání do kolineárního a s ním mizí celý jev. Autoři v závěru jmenují IrMn3 a RhMn3, které mají tutéž krystalovou i magnetickou stavbu, ale takový fázový přechod nemají. Jejich Néelovu teplotu uvádějí v odpovědi recenzentům jako 727, respektive 580 °C.

Recenzní posudky Nature vyšly spolu s článkem a vedle doporučení k vydání obsahují i výhradu, kterou odpovědi autorů neuzavřely: u polykrystalického vzorku by se vliv rozhraní PtMn/MgO na velikost a znaménko odporového rozdílu měl průměrováním spíš vytratit, a proč se nevytrácí, zůstává nejasné. Čtvrtý recenzent pochyboval o mechanismu nejdéle a žádal pokus, který by OTT spolehlivě odlišil od spin-orbitálního momentu. V posledním kole autoři vzorek ochladili ze 400 na 300 kelvinů v poli ±0,2 T. Recenzent pak vydání doporučil, jen poznamenal, že tak slabé pole nemusí ke nastavení směru oktupólu stačit. První recenzent práci doporučil hned v prvním kole. Podle něj odpovídá naměřená bariéra udržení zapsaného stavu řádově deset let, což je obvyklý požadavek na nevolatilní paměť. Připomíná také, že přechody z roku 2023 se nanášely za vysokých teplot, kdežto tyhle vznikly za pokojové, a to pokládá za zásadní krok k slučitelnosti s výrobou čipů.

Jak rychle OTT doopravdy přepíná, měření neříká. Pulzy byly v tomhle experimentu mikrosekundové až milisekundové, tedy o mnoho řádů pomalejší než terahertzová dynamika, kterou se antiferomagnety doporučují. Zda se teoretická rychlost dá využít, je podle autorů samostatná otázka na další práci. Mezi jednatřiceti autory jsou vedle lidí ze sedmi univerzit i tři ze společnosti Western Digital; první verze textu ležela na arXivu od září 2025.

Magnetické uspořádání, které se navenek tváří jako nemagnetické, se v posledních letech ukazuje jako použitelné i jinde. V srpnu se na antimonidu chromu podařilo doložit altermagnetismus měřením kvantových oscilací v poli až 41,5 tesla.

Zdroje

• Kang, J. a kol.: Octupole-driven spin torque switching of antiferromagnetic tunnel junctions, Nature, 21. října 2026
• Recenzní posudky a odpovědi autorů k témuž článku
• Preprint na arXivu, verze 1 ze září 2025, verze 2 ze září 2026
• Qin, P. a kol.: Room-temperature magnetoresistance in an all-antiferromagnetic tunnel junction, Nature 613, 485–489 (2023)
• Chen, X. a kol.: Octupole-driven magnetoresistance in an antiferromagnetic tunnel junction, Nature 613, 490–495 (2023)