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)響應等優(yōu)點(diǎn)，有望取代鐵磁材料，成為高密度、低功耗、高穩定性、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)常規方法進(jìn)行調控和探測，制約了反鐵磁自旋電子學(xué)器件的信息讀寫(xiě)。通過(guò)隧道磁阻和自旋轉移力矩進(jìn)行電學(xué)讀寫(xiě)的反鐵磁隧道結，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，很難通過(guò)傳統機制實(shí)現用于信息讀寫(xiě)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(lái)一直在反鐵磁自旋電子學(xué)領(lǐng)域從事理論研究，在反鐵磁隧道結中提出了基于電極費米面自旋匹配的隧道磁阻機制(Nat. Commun. 12, 7061 (2021))，該機制最近在非共線(xiàn)反鐵磁隧道結中得到了實(shí)驗證實(shí)。此外，還與北京化工大學(xué)張書(shū)輝副教授、內布拉斯加大學(xué)Evgeny Y. Tsymbal教授合作，在反鐵磁隧道結中提出了基于電極和勢壘上非對稱(chēng)自旋匹配的隧道反常霍爾效應(Tunneling anomalous Hall effect)機制(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中實(shí)現大開(kāi)關(guān)比的讀取信號。
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(zhì)，可以驅動(dòng)很多新奇的自旋電子學(xué)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(xiě)入、精確讀取的高性能反鐵磁隧道結提供了一個(gè)可行的理論框架，有望推動(dòng)具有易于調控、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，邵定夫研究員和內布拉斯加大學(xué)Evgeny Y. Tsymbal教授是論文的共同通訊作者。中科院合肥物質(zhì)院強磁場(chǎng)中心孫玉平研究員對該工作進(jìn)行了重要指導。該工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.216702
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