近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所邵定夫研究員與美國(guó)內(nèi)布拉斯加-林肯大學(xué)合作，系統(tǒng)研究了反鐵磁金屬界面效應(yīng)誘導(dǎo)強(qiáng)自旋極化的物理機(jī)制，并提出了基于該機(jī)制的第三類反鐵磁隧道結(jié)設(shè)計(jì)原則，為構(gòu)建高性能自旋電子學(xué)器件開(kāi)辟了全新路徑。相關(guān)研究成果以發(fā)表于Cell出版社旗下物理學(xué)旗艦期刊 Newton。
隨著信息技術(shù)向更小尺寸、更高集成度和更低能耗方向持續(xù)發(fā)展，傳統(tǒng)依賴電子電荷的半導(dǎo)體器件正面臨摩爾定律的極限挑戰(zhàn)。自旋電子學(xué)通過(guò)同時(shí)調(diào)控電子的電荷與自旋自由度，被視為推動(dòng)下一代信息器件發(fā)展的關(guān)鍵方向。反鐵磁材料因其無(wú)凈磁矩、零雜散場(chǎng)以及THz級(jí)超快磁動(dòng)力學(xué)響應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，能夠滿足后摩爾時(shí)代對(duì)器件小型化、高密度、低功耗、高速讀寫(xiě)和高穩(wěn)定性的多重需求，因而成為構(gòu)建高性能自旋電子器件的理想候選體系。其中，基于量子隧穿效應(yīng)的反鐵磁隧道結(jié)（AFMTJ）被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)反鐵磁自旋電子學(xué)應(yīng)用的核心器件結(jié)構(gòu)。然而，傳統(tǒng)反鐵磁材料本身不具備宏觀自旋極化，如何實(shí)現(xiàn)可用于信息讀取的顯著隧道磁阻（TMR），一直是該領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵難題。此前，研究者曾嘗試?yán)枚S層狀反鐵磁絕緣體作為勢(shì)壘，通過(guò)外加磁場(chǎng)誘導(dǎo)其發(fā)生反鐵磁–鐵磁相變來(lái)實(shí)現(xiàn)隧道磁阻（圖1(A)）。盡管該方案已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)報(bào)道，但由于這類材料的奈爾溫度普遍較低，嚴(yán)重制約了其在常溫環(huán)境下的實(shí)際應(yīng)用。
邵定夫研究員團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于反鐵磁自旋電子學(xué)的理論探索，在國(guó)際上較早提出并系統(tǒng)發(fā)展了基于反鐵磁金屬體效應(yīng)的第二類反鐵磁隧道結(jié)機(jī)制（圖1(B)）。早在“交錯(cuò)磁體”（altermagnet）概念提出之前，邵定夫研究員便提出了基于動(dòng)量空間自旋極化的反鐵磁隧道磁阻方案(Nat. Commun. 12, 7061 (2021))，該方案已獲實(shí)驗(yàn)證實(shí)。近期，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出非共線反鐵磁材料中“有效自旋極化”的新定義，成功解釋了在自旋不守恒條件下仍可利用相關(guān)材料實(shí)現(xiàn)顯著隧道磁阻的物理機(jī)制(Nat. Commun. 15, 10242 (2024))。此外，團(tuán)隊(duì)還建立了基于實(shí)空間磁構(gòu)型的自旋輸運(yùn)分析框架，預(yù)言了A型/C型反鐵磁體中的奈爾自旋流(Phys. Rev. Lett. 130, 216702 (2023))以及支持單子格自旋輸運(yùn)的X型反鐵磁體(Newton 1, 100068 (2025))（圖1(D-G)），為理解常規(guī)反鐵磁體與交錯(cuò)磁體的自旋輸運(yùn)行為提供了直觀圖像，并為第二類反鐵磁隧道結(jié)電極材料的篩選提供了理論依據(jù)。
在反鐵磁材料的應(yīng)用中，界面處的交換偏置效應(yīng)已被廣泛應(yīng)用于磁存儲(chǔ)與傳感器領(lǐng)域，是其最成功的工業(yè)應(yīng)用之一。然而，基于反鐵磁界面本身的自旋輸運(yùn)效應(yīng)仍未被充分認(rèn)識(shí)。通過(guò)對(duì)實(shí)空間磁構(gòu)型的深入分析與第一性原理計(jì)算，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反鐵磁體內(nèi)部面外方向的自旋相關(guān)體效應(yīng)被強(qiáng)烈抑制，且存在一個(gè)具有未補(bǔ)償磁矩的穩(wěn)定界面時(shí)，界面處可產(chǎn)生顯著的自旋極化（圖1(H)）。這一機(jī)制不依賴材料本征的體效應(yīng)，而是源于界面磁結(jié)構(gòu)的局域?qū)ΨQ性破缺。
基于這一新機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)提出了第三類反鐵磁隧道結(jié)的設(shè)計(jì)原則——通過(guò)界面效應(yīng)而非體效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高效的自旋輸運(yùn)（圖1(C)）。研究人員構(gòu)建了以二維范德華A型反鐵磁金屬Fe?GeTe?為電極、非磁絕緣體BN為勢(shì)壘的隧道結(jié)模型。量子輸運(yùn)模擬結(jié)果顯示，即便電極材料本身具有自旋簡(jiǎn)并的能帶結(jié)構(gòu)，其界面仍能產(chǎn)生顯著的自旋極化電流（圖2）。更重要的是，該效應(yīng)不受電極厚度或?qū)訑?shù)奇偶性影響，進(jìn)一步證實(shí)其源于界面機(jī)制。
當(dāng)調(diào)控兩側(cè)電極奈爾矢量的相對(duì)取向時(shí)，器件表現(xiàn)出明顯的電阻切換行為：界面磁矩平行排列時(shí)呈現(xiàn)低阻態(tài)，反平行時(shí)為高阻態(tài)，計(jì)算所得隧道磁阻可達(dá)100%量級(jí)，與傳統(tǒng)依賴體效應(yīng)方案的隧道磁阻相近，充分顯示了界面機(jī)制的實(shí)際應(yīng)用潛力（圖3）。值得注意的是，由于奈爾矢量與界面磁矩的取向可能存在非一致性，此類器件的隧道磁阻可以表現(xiàn)出負(fù)值，這一獨(dú)特特征使其與其他類型的磁隧道結(jié)形成本質(zhì)區(qū)別，也為新型邏輯與存儲(chǔ)功能的設(shè)計(jì)提供了新自由度。
目前，基于鐵磁相Fe?XTe?（X=Ge、Ga）的二維范德華磁性隧道結(jié)已在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)。借鑒現(xiàn)有制備工藝，通過(guò)引入Co元素?fù)诫s，有望構(gòu)建基于反鐵磁相(Fe,Co)?XTe?的AFMTJ原型器件。這類A型反鐵磁材料通常支持非對(duì)稱自旋軌道力矩和面內(nèi)方向的奈爾自旋流等特性，為實(shí)現(xiàn)奈爾矢量與反鐵磁疇的高效電學(xué)調(diào)控提供了物理基礎(chǔ)，保障了器件的快速、低功耗寫(xiě)入能力（圖4）。
該研究工作不僅在交換偏置之外揭示了反鐵磁材料的另一類重要界面效應(yīng)，更打破了“缺乏體效應(yīng)即無(wú)應(yīng)用價(jià)值”的傳統(tǒng)認(rèn)知，為拓展反鐵磁材料在自旋電子學(xué)中的應(yīng)用邊界提供了全新視角。研究不僅為開(kāi)發(fā)不依賴特定體效應(yīng)的通用型反鐵磁器件提供了理論支撐，也為未來(lái)構(gòu)建更高速、更高密度、更穩(wěn)定的信息器件開(kāi)辟了切實(shí)可行的技術(shù)路徑。
針對(duì)該研究工作，量子材料理論專家、芬蘭阿爾托大學(xué)Jose Lado教授與二維材料與器件實(shí)驗(yàn)專家、瑞典查爾姆斯理工大學(xué)Saroj P. Dash教授在同期Newton期刊上發(fā)表了題為《反鐵磁未補(bǔ)償界面為范德華異質(zhì)結(jié)帶來(lái)了全新機(jī)遇》的評(píng)述文章，對(duì)該工作給予高度評(píng)價(jià)，指出該研究“為自旋電子技術(shù)提供了新的設(shè)計(jì)范式（offering new design principles for spintronic technologies）” 。

圖1. (A-C) 反鐵磁隧道結(jié)的三種基本類型；(D-G) 不同反鐵磁結(jié)構(gòu)允許的自旋極化輸運(yùn)特性（體效應(yīng)）；(H) A型反鐵磁體未補(bǔ)償?shù)慕缑娲啪刂С志哂泻暧^自旋極化的隧穿電流。

圖2. 自旋簡(jiǎn)并的A型范德華反鐵磁體Fe4GeTe2及其界面自旋極化。

圖3. Fe4GeTe2/BN/Fe4GeTe2反鐵磁隧道結(jié)的隧道磁阻。

圖4. 基于界面效應(yīng)的第三類反鐵磁隧道結(jié)的讀寫(xiě)方案示意圖。

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)研究院

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