清华大学《Nature》重大成果！托托科技无掩模紫外光刻机助力团队实现手性反铁磁无场全翻转重大突破！

手性反铁磁体的无场全翻转一直是磁存储技术实用化的关键难题，如何摆脱对辅助磁场的依赖，同时实现反铁磁序的100%电调控与超低能耗，成为自旋电子学领域的研究瓶颈。

清华大学材料科学与工程学院，先进材料教育部重点实验室的宋成教授、潘峰教授团队联合攻关，成功实现手性反铁磁序的无场全电翻转，突破了传统切换策略中驱动力与能垒的固有权衡，创下了前所未有的切换效率。

相关研究成果于2026年2月25日，以“Field-free full switching of chiral antiferromagnetic order”为题在线发表于《Nature》期刊，托托科技的Ultraviolet Maskless Lithography无掩模紫外光刻机为该研究的器件制备提供了核心技术支撑，助力团队完成关键实验器件的精准加工！

手性反铁磁体兼具反铁磁体的太赫兹自旋动力学、无杂散场和铁磁体的易调控特性，是下一代超高密度、超低能耗磁存储器件的核心候选材料。然而，长期以来，手性反铁磁序的电调控始终依赖外部辅助磁场，且传统切换策略要么只能实现部分翻转，要么为实现全翻转大幅提升能垒，导致能耗激增，这两大问题严重阻碍了其在实际存储架构中的应用。

图 1 | 手性反铁磁序的电学切换策略分类

(a) 从自旋子晶格和团簇磁八极矩的角度阐释Mn₃Sn中的手性反铁磁序。

(b-d) 依据电流诱导的自旋极化p、八极矩极化K与磁易面(0001)的关系划分的手性反铁磁序电切换构型，p为电流诱导的自旋极化。构型I（b）中，p与K正交且平行于(0001)面，实现磁场辅助的部分翻转，翻转比例低于1/3；构型II（c）中，p与K正交且垂直于(0001)面，实现手性自旋旋转及磁场辅助的100%全翻转，ε为衬底提供的单轴应变；构型III（d）中，p与K平行，实现无磁场的100%全翻转。

此次研究中，清华大学团队创新性地采用分子束外延法，通过精准调控生长热力学与动力学条件，制备出由单晶Mn₃Sn(0001)底层和多晶Mn₃Sn顶层构成的同质结样品：先在MgO(111)衬底上200℃生长20nm单晶Mn₃Sn(0001)层并经400℃退火，再在其表面260℃生长10nm多晶Mn₃Sn层且不进行退火，避免单晶外延。团队利用多晶Mn₃Sn中倾斜的Kagomé几何结构，将单晶Mn₃Sn(0001)层产生的面外自旋极化分解为垂直和平行于Kagomé平面的两个分量，分别产生对称的反铁磁型驱动力和非对称的铁磁型驱动力——前者加速八极矩旋转，后者决定翻转手性，首次在无需垂直单轴磁各向异性的非常规方案中，实现了手性反铁磁序的无场全翻转。

图 2 | Mn₃Sn同质结

(a) Mn₃Sn同质结的结构示意图。(b) Mn₃Sn薄膜生长过程中能量随时间的演化示意图。(c) Mn₃Sn同质结中随温度变化的反常霍尔电阻（RAH）。(d) Mn₃Sn同质结与MgO(110)/W(211)/Mn₃Sn(1-100)的反常霍尔磁强计对比。(e) Mn₃Sn同质结在室温下的反常霍尔电导率。(f) Mn₃Sn同质结在室温下的切换曲线。

该研究取得了突破性的实验结果：在室温下实现了Mn₃Sn同质结中八极矩磁态的100%电调控，切换的阈值电流密度低至3 MA cm-2，体积功耗仅2790 MW cm-3，较此前传统方案降低了一个数量级；同时，该无场翻转策略展现出八极矩可编程的翻转手性，可通过预置磁场调控翻转方向，还具备优异的抗外场干扰能力，在0.3T以内的面内/面外磁场中，翻转手性与翻转比例均保持稳定，突破了传统铁磁体无场翻转仅能在极窄磁场范围实现的局限。此外，该方案无需引入单轴应变，保留了Mn₃Sn的易面磁各向异性，实现了超低能垒与全翻转的兼容，打破了传统策略中驱动力与能垒的固有取舍难题。

图 3 | 八极矩调控的无场翻转及抗外场扰动特性

Mn₃Sn同质结中八极矩调控无场切换的示意图。(b) Mn₃Sn同质结在室温下的面内磁化曲线。(c) 根据补充说明第7节的理论计算，随ϕK的变化关系。(d, e) 切换比率ΔRAH/RAH(d)和阈值电流密度Jc(e)随ϕH的变化关系。(f) 在不同面内和面外辅助磁场(分别为μ0HA-IP和μ0HA-OOP)下的切换比率ΔRAH/RAH。

图 4 | 自旋子晶格与八极矩的自旋扭矩特性，以及驱动力与能垒的分类

(a) 由于倾斜的Kagome几何结构导致的σz分解。(b) 由σz∥诱导的作用于铁磁磁化（m）的阻尼类转矩（TDL）。(c, d) 配置II(c)和配置III(d)中，三个自旋子晶格和磁八极矩的自旋扭矩特性与驱动力。(e, f) 配置II(e)和配置III(f)中驱动力与能垒的对比分析。

在这一重大突破的背后，托托科技 Ultraviolet Maskless Lithography 无掩模紫外光刻机在核心的Mn₃Sn同质结器件制备环节发挥了关键作用，该设备凭借超高的光刻精度、灵活的无掩模图案化设计、高效的加工流程，完美匹配了实验中对器件微纳结构的精准制备需求，实现了器件关键结构的高精度、高一致性加工，为后续的反常霍尔效应、自旋轨道矩切换等输运测量提供了高质量的器件基础，保障了各项实验数据的准确性和可重复性。

此次助力清华大学团队在《Nature》发表重大研究成果，再次印证了托托科技光刻设备在高端科研器件制备中的核心竞争力。

托托科技 无掩模版紫外光刻机

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清华大学团队的这项研究，突破了手性反铁磁自旋电子学领域的长期技术瓶颈，为下一代超低能耗、超高密度磁存储技术的发展奠定了物理和材料基础。而托托科技作为高端微纳加工设备供应商，始终以先进的光刻技术为科研工作者赋能，助力国内前沿基础研究和关键核心技术突破。未来，托托科技将持续深耕微纳加工设备领域，不断提升产品的性能和适用性，为新材料、微电子、自旋电子学、半导体等领域的科研与产业发展提供更优质的设备和技术支持，携手科研界、产业界共同推动高端制造与前沿科技的创新发展！

相关研究成果链接：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10175-6