DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-70239-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41820328
تاريخ النشر: 2026-03-12
المؤلف: Yuliang Chen وآخرون
الموضوع الرئيسي: الخصائص المغناطيسية للأفلام الرقيقة
نظرة عامة
تناقش هذه القسم التقدم في تقاطعات النفق المغناطيسي (MTJs) باستخدام مغناطيسات ثنائية الأبعاد (2D)، مع التركيز بشكل خاص على المغناطيسات المضادة المغناطيسية الملتوية (AFMs). يقدم المؤلفون نهجًا جديدًا لتقاطعات النفق المغناطيسي تتكون من طبقة أحادية مغناطيسية حديدية من CrSBr وطبقة ثنائية مضادة مغناطيسية من CrSBr، والتي تظهر حالتين غير متطايرتين متميزتين وتحقق مقاومة مغناطيسية للنفق مثيرة للإعجاب تصل إلى 700% عند 2 كلفن في مجال مغناطيسي صفري.
من خلال دمج طبقة أحادية إضافية من CrSBr لإنشاء واجهة ملتوية ثانية، تمكن الباحثون من الوصول بنجاح إلى أربع حالات غير متطايرة دون تطبيق مجال مغناطيسي خارجي. علاوة على ذلك، يوضحون القدرة على التبديل بين أي من هذه الحالات الأربع باستخدام المجالات المغناطيسية. كما يبرز البحث إمكانيات تقاطعات النفق المغناطيسي المضادة المغناطيسية بالكامل المكونة من ثلاث طبقات ثنائية ملتوية من CrSBr، والتي تظهر حالات غير متطايرة متعددة. بشكل عام، تشير هذه الدراسة إلى إمكانية تخزين معلومات مغناطيسية متعددة الحالات داخل جهاز واحد من خلال دمج عدة واجهات ملتوية على المستوى الذري.
مقدمة
تناقش المقدمة التقدمات والتطبيقات لتقاطعات النفق المغناطيسي (MTJs)، التي كانت جزءًا أساسيًا من محركات الأقراص المغناطيسية والآن تُستخدم في ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية (MRAM) بسبب قابليتها للتوسع، واستهلاكها المنخفض للطاقة، وقدرتها العالية على التحمل. يتكون هيكل MTJ الكلاسيكي من طبقة مغناطيسية حرة وطبقة مغناطيسية مرجعية مفصولة بعازل أكسيدي غير مغناطيسي، عادةً MgO. تعمل MTJs عن طريق قلب مغنطة الطبقة الحرة بين التكوينات المضادة والمتوازية، مما يؤدي إلى حالات مقاومة مميزة تتميز بمقاومة مغناطيسية للنفق كبيرة (TMR). أظهرت التطورات الأخيرة في المواد المغناطيسية ثنائية الأبعاد (2D)، مثل CrI₃ وCrSBr، وعدًا لتطبيقات جديدة في MRAM، خاصة على المستوى الذري.
تسلط الورقة الضوء على الاستخدام المبتكر لتقاطعات النفق المغناطيسي الملتوية ثنائية الأبعاد، التي يمكن أن تظهر حالات مقاومة مغناطيسية غير متطايرة متعددة. على وجه التحديد، يقدم المؤلفون هيكلًا غير متماثل جديد من خلال لف طبقة أحادية من CrSBr فوق طبقة ثنائية غير ملتوية من CrSBr، مما يؤدي إلى تعزيز قوة التثبيت والازدواجية في المجال الصفري (ZF). يسمح هذا التكوين بإنشاء أربع حالات غير متطايرة متميزة من خلال التلاعب بتكوينات الدوران عند الواجهات الملتوية. علاوة على ذلك، يقترح المؤلفون هيكل MTJ مضاد مغناطيسي بالكامل مع حالات غير متطايرة متعددة، مما يبرز إمكانيات المغناطيسات ثنائية الأبعاد لتطوير تقنيات MRAM المتقدمة التي تستفيد من أبعاد الطبقات الذرية وزيادة قدرات التخزين.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون الطرق المستخدمة في تصنيع الأقطاب الكهربائية وتقاطعات النفق المغناطيسي (MTJs) على ركائز Si/SiO₂. تم إنشاء الأقطاب الكهربائية باستخدام تقنية الطباعة الحجرية بالأشعة الإلكترونية (EBL) تليها ترسيب طبقة من التيتانيوم (Ti) والذهب (Au)، مما يشكل تكوينًا على شكل “T”. تم الالتزام بإجراءات النقل المعمول بها سابقًا في تصنيع MTJs من CrSBr، على الرغم من أن بعض الأجهزة تعرضت للتلف في الأقطاب الكهربائية الجرافيتية المنقولة بسبب الضغط أثناء إزالة البولي (بيسفينول A كربونات) المتبقي. لمعالجة هذه المشكلة، تم تصنيع أقطاب كهربائية احتياطية باستخدام طريقة EBL بديلة.
لتحسين أداء MTJs، كان هدف المؤلفين هو تقليل منطقة النفق إلى أقل من 1 ميكرومتر²، وهو أمر حاسم لتحقيق مقاومة مغناطيسية للنفق كبيرة (TMR) في مجال واحد عند المجال الصفري (ZF). تم تثبيت الأجهزة على قرص نقل كهربائي مع محاذاة دقيقة للأقطاب الكهربائية لضمان أن اتجاه القطب الكهربائي العمودي كان قريبًا من التوازي مع المجال المغناطيسي المطبق بزاوية Φ = 0°. سهل هذا النهج المنهجي فحص زوايا الالتواء وتحديد المحاور البلورية لرقائق CrSBr، مع تقدير عدم اليقين الزاوي بحوالي ±5°.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغيرات قيد التحقيق، مع تأكيد التحليلات الإحصائية على قوة هذه العلاقات. يتم الإبلاغ عن مقاييس محددة، مثل قيم p وفترات الثقة، لدعم صحة النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يتضمن القسم تمثيلات رسومية للبيانات، توضح الاتجاهات والأنماط التي ظهرت خلال التحليل. تساعد هذه الوسائل البصرية في تعزيز فهم النتائج وتوفير تصوير واضح للظواهر الملاحظة. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة للجسم المعرفي القائم في هذا المجال، مما يشير إلى آثار محتملة للبحث المستقبلي والتطبيقات العملية.
مناقشة
تناقش البحث خصائص وإمكانيات تطبيقات تقاطعات النفق المغناطيسي الملتوية غير المتطايرة (MTJs) باستخدام CrSBr، وهو شبه موصل مضاد مغناطيسي من النوع A. يظهر CrSBr انتقالًا من مغناطيسي بارامغناطيسي إلى مضاد مغناطيسي عند حوالي 130 كلفن وترابط مغناطيسي حديدي قوي داخل الطبقة يصل إلى حوالي 150 كلفن. تجعل الخصائص المغناطيسية الفريدة والخصائص شبه الموصلة لـ CrSBr منه مرشحًا مثاليًا لاستكشاف تقاطعات النفق المغناطيسي الملتوية ثنائية الأبعاد. تسلط الدراسة الضوء على كيفية أن تكوينات الدوران عند الواجهات الملتوية يمكن أن تؤدي إلى حالات مزدوجة الاستقرار، حيث يتأثر توصيل النفق بالزوايا النسبية للدورانات عند هذه الواجهات، مما يظهر آلية تصفية الدوران.
تكشف النتائج أن MTJ الملتوي CrSBr 2L/1L يمكن أن يحقق عدم تطاير قوي عند المجال الصفري (ZF NV) عبر مجموعة واسعة من الزوايا، مع إظهار توصيل النفق اختلافات كبيرة بين تكوينات الدوران شبه المضادة وشبه المتوازية. تستكشف الدراسة أيضًا MTJ ملتوي 1L/2L/1L، الذي يمكن أن يظهر أربع حالات غير متطايرة متميزة بسبب وجود واجهتين ملتويتين. تشير النتائج إلى أن الأنيسوتروبي المغناطيسي للطبقات الفردية يبقى سليمًا حتى في التكوينات الملتوية، مما يسمح بالتلاعب الفعال بحالات الدوران من خلال المجالات المغناطيسية الخارجية. تمهد هذه العمل الطريق للتقدمات المستقبلية في تقنيات الذاكرة غير المتطايرة باستخدام المواد ثنائية الأبعاد، مع إمكانية زيادة عدد الحالات المتاحة من خلال إضافة المزيد من الواجهات الملتوية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-70239-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41820328
Publication Date: 2026-03-12
Author(s): Yuliang Chen et al.
Primary Topic: Magnetic properties of thin films
Overview
This section discusses the advancements in magnetic tunnel junctions (MTJs) utilizing two-dimensional (2D) magnets, particularly focusing on twisted 2D antiferromagnets (AFMs). The authors present a novel approach to MTJs formed from a single ferromagnetic CrSBr monolayer and a single antiferromagnetic CrSBr bilayer, which demonstrate two distinct nonvolatile states and achieve an impressive tunneling magnetoresistance of up to 700% at 2 K in zero magnetic field.
By incorporating an additional CrSBr monolayer to create a second twisted interface, the researchers successfully access four nonvolatile states without the application of an external magnetic field. Furthermore, they illustrate the capability of switching between any of these four states using magnetic fields. The study also highlights the potential of all-antiferromagnetic MTJs constructed from three twisted CrSBr bilayers, which exhibit multiple nonvolatile states. Overall, this research indicates the feasibility of storing multiple-state magnetic information within a single device by integrating several twisted interfaces at the atomic scale.
Introduction
The introduction discusses the advancements and applications of magnetic tunnel junctions (MTJs), which have been integral to magnetic disk drives and are now utilized in magnetic random-access memory (MRAM) due to their scalability, low power consumption, and high endurance. The classic MTJ structure consists of a free ferromagnetic layer and a reference ferromagnetic layer separated by a nonmagnetic oxide insulator, typically MgO. The MTJs operate by flipping the magnetization of the free layer between antiparallel and parallel configurations, resulting in distinct resistive states characterized by significant tunneling magnetoresistance (TMR). Recent developments in two-dimensional (2D) magnetic materials, such as CrI₃ and CrSBr, have shown promise for novel MRAM applications, particularly at the atomic scale.
The paper highlights the innovative use of twisted 2D MTJs, which can exhibit multiple nonvolatile magnetoresistive states. Specifically, the authors introduce a new asymmetric structure by twisting a CrSBr monolayer on top of an untwisted CrSBr bilayer, resulting in enhanced pinning strength and bistability at zero field (ZF). This configuration allows for the creation of four distinct nonvolatile states by manipulating the spin configurations at the twisted interfaces. Furthermore, the authors propose an all-antiferromagnetic MTJ structure with multiple nonvolatile states, emphasizing the potential of 2D magnets for developing advanced MRAM technologies that leverage atomic layer dimensions and increased storage capabilities.
Methods
In this section, the authors describe the methods used for fabricating the electrodes and magnetic tunnel junctions (MTJs) on Si/SiO₂ substrates. The electrodes were created using electron-beam lithography (EBL) followed by the deposition of a titanium (Ti) and gold (Au) layer, forming a “T”-shaped configuration. The fabrication of CrSBr MTJs adhered to previously established transfer procedures, although some devices experienced damage to the transferred graphite electrodes due to strain during the removal of residual poly(bisphenol A carbonate). To address this issue, backup electrodes were fabricated using an alternative EBL method.
To optimize the performance of the MTJs, the authors aimed to minimize the tunneling area to less than 1 μm², which is crucial for achieving a large tunnel magnetoresistance (TMR) in a single domain at zero field (ZF). The devices were mounted onto an electrical transport puck with careful alignment of the electrodes to ensure that the orientation of the vertical electrode was nearly parallel to the applied magnetic field at an angle Φ = 0°. This systematic approach facilitated the examination of twist angles and the identification of the crystal axes of the CrSBr flakes, with an estimated angular uncertainty of approximately ±5°.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a strong correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Specific metrics, such as p-values and confidence intervals, are reported to substantiate the validity of the results.
Additionally, the section may include graphical representations of the data, illustrating trends and patterns that emerged during the analysis. These visual aids serve to enhance the understanding of the results and provide a clear depiction of the observed phenomena. Overall, the findings contribute valuable insights to the existing body of knowledge in the field, suggesting potential implications for future research and practical applications.
Discussion
The research discusses the properties and potential applications of nonvolatile twisted magnetic tunnel junctions (MTJs) using CrSBr, an A-type antiferromagnetic van der Waals semiconductor. CrSBr exhibits a paramagnetic-to-antiferromagnetic transition at approximately 130 K and strong intralayer ferromagnetic coupling up to about 150 K. The unique magnetic characteristics and semiconducting properties of CrSBr make it an ideal candidate for exploring two-dimensional twisted MTJs. The study highlights how the spin configurations at twisted interfaces can lead to bistable states, with the tunneling conductance being influenced by the relative angles of spins at these interfaces, demonstrating a spin-filtering mechanism.
The findings reveal that the twisted CrSBr 2L/1L MTJ can achieve robust nonvolatility at zero field (ZF NV) across a wide range of angles, with tunneling conductance showing significant differences between quasi-antiparallel and quasi-parallel spin configurations. The study also explores a twisted 1L/2L/1L MTJ, which can exhibit four distinct nonvolatile states due to the presence of two twisted interfaces. The results indicate that the magnetic anisotropy of individual layers remains intact even in twisted configurations, allowing for effective manipulation of spin states through external magnetic fields. This work lays the groundwork for future advancements in nonvolatile memory technologies utilizing two-dimensional materials, with the potential for further increasing the number of accessible states by adding more twisted interfaces.