近期，中科院合肥物質(zhì)院固體所功能材料物理與器件研究部邵定夫研究員及合作者在反鐵磁自旋輸運(yùn)理論取得重要進(jìn)展，預(yù)言反鐵磁材料中自旋中性的電流會(huì)攜帶一種特殊的“奈爾自旋流”(Néel spin currents)，并基于此效應(yīng)提出了高性能全電控反鐵磁隧道結(jié)的理論方案。相關(guān)工作以“Néel spin currents in antiferromagnets”為題發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Phys. Rev. Lett., 130, 216702 (2023))。      反鐵磁材料具有零凈磁矩、零雜散磁場(chǎng)、超快磁動(dòng)力學(xué)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，有望取代鐵磁材料，實(shí)現(xiàn)高密度、低功耗、高穩(wěn)定性、超快讀寫(xiě)的下一代自旋電子學(xué)器件。然而，由于反鐵磁序參量(奈爾矢量, Néel vector)很難通過(guò)常規(guī)方法進(jìn)行調(diào)控和探測(cè)，制約了反鐵磁自旋電子學(xué)器件的信息讀寫(xiě)。通過(guò)隧道磁阻和自旋轉(zhuǎn)移力矩進(jìn)行電學(xué)讀寫(xiě)的反鐵磁隧道結(jié)是反鐵磁自旋電子學(xué)理想的器件方案，但由于反鐵磁材料只有自旋簡(jiǎn)并的電子態(tài)密度，通常只能支持自旋中性的電流，似乎很難通過(guò)傳統(tǒng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)用于信息讀寫(xiě)的隧道磁阻(Tunneling Magnetoresistance, TMR)效應(yīng)和自旋轉(zhuǎn)移力矩(Spin-Transfer Torque, STT)效應(yīng)。

邵定夫研究員近年來(lái)一直在反鐵磁自旋電子學(xué)領(lǐng)域從事理論研究，在反鐵磁隧道結(jié)中提出了基于電極費(fèi)米面自旋匹配的隧道磁阻機(jī)制(Nat. Commun. 12, 7061 (2021))，該機(jī)制最近在非共線(xiàn)反鐵磁隧道結(jié)中得到了實(shí)驗(yàn)證實(shí)。此外，還與北京化工大學(xué)張書(shū)輝副教授、內(nèi)布拉斯加大學(xué)Evgeny Y. Tsymbal教授合作，在反鐵磁隧道結(jié)中提出了基于電極和勢(shì)壘上非對(duì)稱(chēng)自旋匹配的隧道反?；魻栃?yīng)(Tunneling anomalous Hall effect)機(jī)制(Phys. Rev. B 106, L180404 (2022))。上述工作表明，即使完全基于自旋中性的電流，也可以在反鐵磁隧道結(jié)中實(shí)現(xiàn)大開(kāi)關(guān)比的讀取信號(hào)。      在此基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，如果共線(xiàn)性反鐵磁材料中相同子晶格內(nèi)的磁性原子具有較強(qiáng)耦合，就可將這類(lèi)反鐵磁材料近似地看成是由兩個(gè)反平行的鐵磁子晶格構(gòu)成的“并聯(lián)電路”?；谶@一簡(jiǎn)單而直觀(guān)的物理圖像，研究人員預(yù)言，這類(lèi)反鐵磁材料中相反的鐵磁子晶格會(huì)分別對(duì)流經(jīng)其內(nèi)部的電流進(jìn)行極化，從而在整體呈自旋中性的電流中形成兩支隱藏于子晶格內(nèi)的相反自旋流。這種反鐵磁材料中獨(dú)有的子晶格分辨的自旋流與此前人們熟知的宏觀(guān)自旋流完全不同，被命名為“奈爾自旋流(Néel spin currents)”。

圖1. (a) 反鐵磁材料的“并聯(lián)電路”模型和其中的奈爾自旋流；(b) 基于奈爾自旋流，反鐵磁隧道結(jié)可被近似地看成兩個(gè)鐵磁隧道結(jié)的并聯(lián)。

基于奈爾自旋流，有望在反鐵磁體系中引起很多過(guò)去認(rèn)為很難實(shí)現(xiàn)的自旋電子學(xué)輸運(yùn)效應(yīng)。比如，如果利用支持奈爾自旋流的反鐵磁金屬作為電極構(gòu)建反鐵磁隧道結(jié)，就可以將反鐵磁隧道結(jié)近似地看作兩個(gè)鐵磁隧道結(jié)的“并聯(lián)”。這為此前預(yù)言的反鐵磁隧道磁阻和隧道反?；魻栃?yīng)提供了一個(gè)更本質(zhì)的理解，也為反鐵磁隧道結(jié)中自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)直觀(guān)的圖像。通過(guò)理論計(jì)算，研究人員預(yù)言奈爾自旋流可以在基于不同材料的反鐵磁隧道結(jié)中驅(qū)動(dòng)顯著的隧道磁阻和自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)，有望用來(lái)在相關(guān)器件中實(shí)現(xiàn)全電控的信息讀寫(xiě)。

圖2. RuO2/TiO2/RuO2 (001) 反鐵磁隧道結(jié)中由奈爾自旋流驅(qū)動(dòng)的自旋轉(zhuǎn)移力矩。

圖3. 基于自旋簡(jiǎn)并反鐵磁材料Fe4GeTe2的反鐵磁隧道結(jié)中由奈爾自旋流驅(qū)動(dòng)的隧道磁阻和自旋轉(zhuǎn)移力矩。

該工作預(yù)言的奈爾自旋流是一種反鐵磁材料獨(dú)有的輸運(yùn)性質(zhì)，可以驅(qū)動(dòng)很多新奇的自旋電子學(xué)效應(yīng)，如反鐵磁隧道結(jié)中的隧道磁阻和自旋轉(zhuǎn)移力矩等。該工作為超快寫(xiě)入、精確讀取的高性能反鐵磁隧道結(jié)提供了一個(gè)可行的理論框架，有望推動(dòng)具有易于調(diào)控、大開(kāi)關(guān)比等優(yōu)點(diǎn)的新一代反鐵磁自旋電子學(xué)的發(fā)展。

固體所是該論文的第一單位，邵定夫研究員、固體所2022級(jí)在讀博士生蔣媛媛和河南工程學(xué)院丁俊教授是該論文的共同第一作者，邵定夫研究員和內(nèi)布拉斯加大學(xué)Evgeny Y. Tsymbal教授是論文的共同通訊作者。強(qiáng)磁場(chǎng)中心孫玉平研究員對(duì)該工作進(jìn)行了重要指導(dǎo)。該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.216702

相關(guān)論文連接：

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26915-3

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.106.L180404

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.216702