【摘要】 突破静离子近似局限！DFT计算揭示磁结构耦合如何降低反铁磁PtMn的磁各向异性能达20%，为AFM-MERAM存储器开发提供新理论依据。

数据存储技术的演进从阿波罗时代的4Kb磁芯存储器发展为现代TB级存储设备，其核心驱动力是磁性存储材料的位密度与性能提升。然而，传统磁存储因写入速度限制难以满足高速存储器（如RAM）需求，导致易失性与高功耗问题。反铁磁磁电存储器（AFM-MERAM）通过反铁磁材料的高速开关特性，有望实现非易失、低功耗且高性能的存储方案，但理论与实验的差异长期制约其发展。

这种差异的核心在于：传统磁各向异性（MAE）计算依赖静态离子近似，未考虑自旋方向-晶体结构耦合效应。本文提出新型磁过渡态搜索策略，结合密度泛函理论（DFT）​ 分析磁结构耦合对MAE的影响，并以铁磁FePt与反铁磁PtMn为案例展开研究。

 

磁结构耦合效应验证

1.计算模型

  • 采用LDA近似计算基态MAE：FePt为3.45meV/晶胞，PtMn为0.41meV/晶胞
  • 引入结构弛豫后：FePt的MAE降幅<0.5%（3.44meV），PtMn降幅达20%（0.32meV）

2.​关键发现

  • 反铁磁体（PtMn）的磁振子-声子耦合更强，导致结构弛豫显著降低MAE
  • 铁磁体（FePt）因磁振子-声学声子耦合弱，MAE变化可忽略
  • 晶格参数选择（如LDA vs LDA+U）可逆转材料的易磁化轴方向

图 1. (a) FePt 的基态磁性和几何结构。(b) PtMn 的基态磁性和几何结构。棕色原子为 Fe，紫色原子为 Mn，银色原子为 Pt[1]

 

技术价值与行业意义

本研究证实：​反铁磁材料的MAE评估必须考虑磁结构耦合，尤其当磁序无法在原始晶胞表达时。该发现为AFM-MERAM设计提供新方向：

  • 优化磁过渡态搜索算法可提升MAE预测精度
  • 通过调控声子-磁振子耦合强度可降低能垒
  • 指导新型低能耗非易失存储器的材料选型（如PtMn系合金）

 

参考文献：[1]Lawrence R A, Donaldson S J, Probert M I J. Magnetic transition state searching: beyond the static ion approximation[J]. Magnetochemistry, 2023, 9(2): 42.

 

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