清華新聞網(wǎng)2月26日電 近日，清華大學(xué)材料學(xué)院/先進(jìn)材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的宋成、潘峰團(tuán)隊(duì)在自旋電子學(xué)材料與器件方向取得重要研究進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了手性反鐵磁序的高效全電學(xué)完全翻轉(zhuǎn)。
長(zhǎng)期以來(lái)，磁存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展面臨兩難困境：鐵磁電學(xué)讀寫(xiě)便捷，卻因雜散場(chǎng)制約了存儲(chǔ)密度的提升，且吉赫茲動(dòng)力學(xué)頻率為電學(xué)寫(xiě)入速度設(shè)定了上限；反鐵磁材料雖無(wú)雜散場(chǎng)且具備太赫茲動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢(shì)，但電學(xué)讀寫(xiě)困難。手性反鐵磁材料因其非共線(xiàn)自旋，同時(shí)擁有太赫茲磁動(dòng)力學(xué)、零雜散場(chǎng)和自旋劈裂能帶等特性，被視為突破這一瓶頸的理想體系。然而，如何在零磁場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)對(duì)其磁序的高效電學(xué)操控，始終是推動(dòng)其走向應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)同質(zhì)結(jié)設(shè)計(jì)整合了手性反鐵磁的“非共線(xiàn)自旋指紋”的兩個(gè)核心維度，利用非常規(guī)自旋流誘發(fā)手性反鐵磁序的非常規(guī)磁動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)了全電學(xué)完全翻轉(zhuǎn)。該方案在具備可控的零場(chǎng)翻轉(zhuǎn)極性的同時(shí)，效率也實(shí)現(xiàn)了大幅度躍升。在此基礎(chǔ)上，研究從磁八極子視角切入，破解了手性反鐵磁電學(xué)翻轉(zhuǎn)的“效率密碼”：通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)力和能壘的系統(tǒng)性理論分析，指出自旋極化與磁易面的傾斜幾何構(gòu)型能夠突破長(zhǎng)久以來(lái)的“超低的能壘和超高效的驅(qū)動(dòng)力無(wú)法共存”的限制，是實(shí)現(xiàn)高效全電學(xué)翻轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。該機(jī)制對(duì)其他易面非常規(guī)磁體也具有推廣意義。該研究打通了手性反鐵磁從基礎(chǔ)研究走向器件應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不僅為開(kāi)發(fā)兼具超高密度、超快讀寫(xiě)和低功耗特性的新一代磁存儲(chǔ)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，也為基于手性自旋振蕩和自旋力矩二極管效應(yīng)的太赫茲納米振蕩器與整流器研發(fā)提供了重要科學(xué)支撐。
團(tuán)隊(duì)通過(guò)滿(mǎn)足單晶和多晶Mn3Sn所需的不同生長(zhǎng)條件，利用分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)構(gòu)筑了手性反鐵磁Mn3Sn同質(zhì)結(jié)（圖1a），利用Mn3Sn（0001）產(chǎn)生面外自旋極化（σz），翻轉(zhuǎn)在多晶Mn3Sn層的手性反鐵磁序。通過(guò)面內(nèi)大磁場(chǎng)進(jìn)行預(yù)磁化（圖1a），操控Mn3Sn（0001）層的磁序取向，進(jìn)而控制磁自旋霍爾效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)零場(chǎng)翻轉(zhuǎn)的開(kāi)關(guān)和極性的反轉(zhuǎn)（圖1b）。對(duì)比鐵磁翻轉(zhuǎn)極易受外磁場(chǎng)的干擾，手性反鐵磁的全電學(xué)翻轉(zhuǎn)呈現(xiàn)出優(yōu)越的抗磁場(chǎng)干擾特性（圖1c）。
圖1.受面內(nèi)手性反鐵磁序所調(diào)控的全電學(xué)翻轉(zhuǎn)
手性反鐵磁是磁八極子的載體，這一磁序概念超越了常規(guī)的自旋和磁偶極子概念。亞晶格自旋和磁八極子，為理解手性反鐵磁的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象提供了兩個(gè)截然不同的視角。研究團(tuán)隊(duì)從磁八極子視角出發(fā)，對(duì)自旋力矩特征（貢獻(xiàn)翻轉(zhuǎn)所需的驅(qū)動(dòng)力）和磁各向異性特征（影響翻轉(zhuǎn)所需克服的能壘）做了系統(tǒng)的理論分析，揭示了兩方面關(guān)鍵機(jī)制：（1）磁易面約束下，手性反鐵磁和鐵磁對(duì)于面外自旋的響應(yīng)有本質(zhì)區(qū)別（圖2a和b），垂直于磁易面的分量會(huì)產(chǎn)生交換耦合力矩（圖2c），是高力矩效率的主要來(lái)源；而平行于磁易面的分量產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力（圖2d）用以決定零場(chǎng)翻轉(zhuǎn)的極性。手性反鐵磁同質(zhì)結(jié)中，面外自旋極化與Kagomé磁易面成傾斜的幾何構(gòu)型，既實(shí)現(xiàn)了全電學(xué)翻轉(zhuǎn)，又保留了較高的力矩效率；（2）易面所貢獻(xiàn)的能壘極低（圖2e和f），利于高效翻轉(zhuǎn)，然而卻會(huì)使手性反鐵磁的翻轉(zhuǎn)不完全。而若為了實(shí)現(xiàn)100%翻轉(zhuǎn)而引入二重磁各向異性，卻會(huì)使能壘成數(shù)量級(jí)地提升，極大限制翻轉(zhuǎn)效率。在傳統(tǒng)的構(gòu)型中，驅(qū)動(dòng)力優(yōu)勢(shì)和能壘優(yōu)勢(shì)始終無(wú)法共存，而傾斜的幾何構(gòu)型（圖2a）則成功突破了這一限制，形成了極高的電學(xué)翻轉(zhuǎn)效率。
圖2.極高的電學(xué)翻轉(zhuǎn)效率的物理根源
研究團(tuán)隊(duì)采用臨界電流密度Jc、功耗Pc，以及反?；魻柍C頑力與臨界電流密度的比值μ0Hc/Jc三項(xiàng)指標(biāo)來(lái)綜合評(píng)估翻轉(zhuǎn)效率（表格1），新構(gòu)型下，三項(xiàng)指標(biāo)均比此前有了大幅優(yōu)化，與鐵磁相比，μ0Hc/Jc更是實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)數(shù)量級(jí)的提升。
表1.Mn3Sn的翻轉(zhuǎn)策略的對(duì)比
研究成果以“手性反鐵磁序的零場(chǎng)完全翻轉(zhuǎn)”（Field-free full switching of chiral antiferromagnetic order）為題，于2月25日在線(xiàn)發(fā)表于《自然》（Nature）。
清華大學(xué)材料學(xué)院2020級(jí)博士生周致遠(yuǎn)為論文第一作者，材料學(xué)院教授宋成為論文通訊作者。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然基金委專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目、北京市自然科學(xué)基金、清華大學(xué)“篤實(shí)計(jì)劃”和新基石“科學(xué)探索獎(jiǎng)”等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41586-026-10175-6
供稿：材料學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
