香港科技大学（科大）与清华大学领导的合作研究团队从理论上提出了一种Néel矢量电性180°翻转的新机制，并在具有C自旋分裂能带结构的反铁磁材料中实验实现了这一机制。成对自旋谷锁定，也称为交替磁体。该团队还展示了该材料操纵尼尔矢量的能力，为超快存储设备的制造铺平了道路。

反铁磁自旋电子学因其在创造适合现代高性能信息技术的超密集和超快反铁磁存储器方面的巨大潜力而​​引起了广泛的兴趣。尼尔矢量的电 180° 切换是使用相反的尼尔矢量作为二进制“0”和“1”来产生电控反铁磁存储器的长期目标。然而，最先进的反铁磁切换机制长期以来仅限于尼尔矢量的 90° 或 120° 切换，这不可避免地需要多个写入通道，这与超密集集成相矛盾。对尼尔矢量电 180° 转换的研究使自旋分裂反铁磁体成为超快存储器的新的潜在候选者。

具体来说，在共线反铁磁体中，尼尔矢量 n 具有两个具有对称能垒的稳定状态 n_+ 和 n_-。为了留下能量势垒的不对称性，科大物理系副教授刘俊伟教授领导的团队提出施加外部磁场与微小的DMI感应力矩相互作用。然后，类阻尼自旋轨道扭矩[2]可用于驱动尼尔矢量n穿过从n_+到n_-的势垒，但不能穿过相反的势垒（图1a）。如图1b所示，原子自旋模型模拟表明n可以在0.1 ns内确定性地切换到状态n_+或n_-。将非零贝里曲率积分在紧束缚模型的自旋分裂带上，反常霍尔电导率对这两种状态n_+和n_-表现出高度敏感性，如图所示。

清华大学材料科学与工程学院潘峰教授和宋成教授领导的实验表明，所制备的反铁磁Mn5Si3薄膜具有良好的循环性能，如图所示，这意味着电流驱动的180°尼尔矢量的切换是稳健且可持续的。

事实上，该团队几年前就在科学杂志《自然通讯》上提出了C配对自旋谷锁定（SVL）新理论，提出了一种诱导反铁磁体磁化的新方法，为尼尔开关奠定了基础。向量。与传统的T配对SVL材料相比，C配对SVL材料通过流动电子和局部磁矩之间的强交换耦合而不是SOC来产生自旋分裂带。此外，自旋分裂谷通过保留晶体对称性而不是时​​间反转对称性与相反的自旋方向配对。实际上，可以施加应变/充电电流来稍微破坏或影响晶体对称性，并且因此感应净磁化/非共线自旋电流。

基于Mn5Si3中Néel矢量的电180°切换和读出的理论和实验研究，电控AFM存储器件具有高效率和高再现性。这项基础工作实现了反铁磁体中电荷和自旋自由度之间的信息转换，为自旋电子学在电子行业的快速发展铺平了道路。由于其作为存储设备的潜在应用，例如在计算机硬盘驱动器中，该材料具有显着的优点，包括增强的读写速度以及增加的存储密度。

未来，刘教授希望团队能够探索更多的切换机制和底层物理，尝试寻找更合适、更高效率的材料平台。

该研究最近发表在科学杂志上科学进步，通讯作者为清华大学潘峰教授、宋成教授和科大刘俊伟教授，第一作者分别为清华大学和科大研究生韩磊和傅羲之。

原文链接：https://hkust.edu.hk/news/research-and-innovation/hkust-and-tsinghua-researchers-develop-mechanism-electrical-180deg