固體所預言了反鐵磁材料中的奈爾自旋流

近期 ，中科院合肥物質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理論取得重要進展 ，預言反鐵磁材料中自旋中性的電流會攜帶一種特殊的“奈爾自旋流”(Néel spin currents) ，並基於此效應提出了高性能全電控反鐵磁隧道結的理論方案 。相關工作以“Néel spin currents in antiferromagnets”為題發表於《物理評論快報》(Phys. Rev. Lett., 130, 216702 (2023)) 。      反鐵磁材料具有零淨磁矩 、零雜散磁場 、超快磁動力學響應等優點 ，有望取代鐵磁材料，實現高密度 、低功耗 、高穩定性 、超快讀寫的下一代自旋電子學器件 。然而 ，由於反鐵磁序參量(奈爾矢量, Néel vector)很難通過常規方法進行調控和探測 ，製約了反鐵磁自旋電子學器件的信息讀寫 。通過隧道磁阻和自旋轉移力矩進行電學讀寫的反鐵磁隧道結是反鐵磁自旋電子學理想的器件方案 ，但由於反鐵磁材料隻有自旋簡並的電子態密度 ，通常隻能支持自旋中性的電流 ，似乎很難通過傳統機製實現用於信息讀寫的隧道磁阻(Tunneling Magnetoresistance, TMR)效應和自旋轉移力矩(Spin-Transfer Torque, STT)效應 。

邵定夫研究員近年來一直在反鐵磁自旋電子學領域從事理論研究 ，在反鐵磁隧道結中提出了基於電極費米麵自旋匹配的隧道磁阻機製(Nat. Commun. 12, 7061 (2021)) ，該機製最近在非共線反鐵磁隧道結中得到了實驗證實 。此外 ，還與北京化工大學張書輝副教授 、內布拉斯加大學Evgeny Y. Tsymbal教授合作 ，在反鐵磁隧道結中提出了基於電極和勢壘上非對稱自旋匹配的隧道反常霍爾效應(Tunneling anomalous Hall effect)機製(Phys. Rev. B 106, L180404 (2022)) 。上述工作表明 ，即使完全基於自旋中性的電流 ，也可以在反鐵磁隧道結中實現大開關比的讀取信號 。      在此基礎上 ，研究人員進一步發現 ，如果共線性反鐵磁材料中相同子晶格內的磁性原子具有較強耦合 ，就可將這類反鐵磁材料近似地看成是由兩個反平行的鐵磁子晶格構成的“並聯電路” 。基於這一簡單而直觀的物理圖像 ，研究人員預言 ，這類反鐵磁材料中相反的鐵磁子晶格會分別對流經其內部的電流進行極化 ，從而在整體呈自旋中性的電流中形成兩支隱藏於子晶格內的相反自旋流 。這種反鐵磁材料中獨有的子晶格分辨的自旋流與此前人們熟知的宏觀自旋流完全不同 ，被命名為“奈爾自旋流(Néel spin currents)” 。

圖1. (a) 反鐵磁材料的“並聯電路”模型和其中的奈爾自旋流 ；(b) 基於奈爾自旋流 ，反鐵磁隧道結可被近似地看成兩個鐵磁隧道結的並聯 。

基於奈爾自旋流 ，有望在反鐵磁體係中引起很多過去認為很難實現的自旋電子學輸運效應 。比如 ，如果利用支持奈爾自旋流的反鐵磁金屬作為電極構建反鐵磁隧道結 ，就可以將反鐵磁隧道結近似地看作兩個鐵磁隧道結的“並聯” 。這為此前預言的反鐵磁隧道磁阻和隧道反常霍爾效應提供了一個更本質的理解 ，也為反鐵磁隧道結中自旋轉移力矩效應的實現提供了一個直觀的圖像 。通過理論計算 ，研究人員預言奈爾自旋流可以在基於不同材料的反鐵磁隧道結中驅動顯著的隧道磁阻和自旋轉移力矩效應 ，有望用來在相關器件中實現全電控的信息讀寫 。

圖2. RuO2/TiO2/RuO2 (001) 反鐵磁隧道結中由奈爾自旋流驅動的自旋轉移力矩 。

圖3. 基於自旋簡並反鐵磁材料Fe4GeTe2的反鐵磁隧道結中由奈爾自旋流驅動的隧道磁阻和自旋轉移力矩 。

該工作預言的奈爾自旋流是一種反鐵磁材料獨有的輸運性質 ，可以驅動很多新奇的自旋電子學效應 ，如反鐵磁隧道結中的隧道磁阻和自旋轉移力矩等 。該工作為超快寫入 、精確讀取的高性能反鐵磁隧道結提供了一個可行的理論框架 ，有望推動具有易於調控 、大開關比等優點的新一代反鐵磁自旋電子學的發展 。

固體所是該論文的第一單位 ，邵定夫研究員 、固體所2022級在讀博士生蔣媛媛和河南工程學院丁俊教授是該論文的共同第一作者 ，邵定夫研究員和內布拉斯加大學Evgeny Y. Tsymbal教授是論文的共同通訊作者。強磁場中心孫玉平研究員對該工作進行了重要指導 。該工作得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金的資助 。

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