客户成果丨清华大学《Science Advances》：不对称能垒机制实现电学180度翻转交错磁体的奈尔矢量

近日，清华大学材料学院潘峰教授、宋成教授和香港科技大学物理系刘军伟教授联合在反铁磁自旋电子学领域取得进展，该研究成果以“Electrical 180° switching of Néel vector in spin-splitting antiferromagnet”为题发表在国际知名期刊《Science Advances》上。

磁性材料是一个多元、丰富的家族，包括抗磁体、顺磁体、铁磁体、反铁磁体和亚铁磁体这些重要成员。铁磁体和反铁磁体，是这个家族中最声名远扬的两个成员，他们在性质上有着显著差异。铁磁体中相邻磁矩平行排列，可以轻松被外磁场操控和探测。利用铁磁体的磁矩方向作为信息“0”和“1”并结合隧穿磁电阻效应（TMR）进行读出，催生了一种新型非易失性存储器——磁随机存储器（MRAM）。然而，铁磁体的宏观磁性和铁磁杂散场带来了数据易被外磁场擦除和存储密度不高的问题，且铁磁本征频率在GHz水平，难以进一步提高铁磁MRAM的工作速度。反铁磁体中相邻磁矩反平行排列，导致在宏观上互相抵消而不显示磁性。反铁磁体无宏观磁性、无杂散场，且本征频率在THz水平，为制备高稳定性、高密度和高速度的反铁磁自旋电子学器件带来机会，但也让反铁磁的序参量（奈尔矢量）难以被操控，这是实现基于反铁磁的功能化器件的挑战。

近年来的理论和实验指出，有一类特殊的共线反铁磁体（RuO₂，Mn₅Si₃，CrSb），其反铁磁亚晶格通过晶体旋转对称性相连接（C-paired spin-momentum locking），而时间反演和空间反演联合对称性（PT）破缺，从而在倒空间中产生了交错的自旋劈裂能带，被称为交错磁体（图1）。交错磁体具有反铁磁体的固有优势，同时又具有像铁磁体那样的TMR，使其磁矩易于探测。因此，本文还需解决的是操控交错磁体的奈尔矢量，实现交错磁体信息器件的写入。

图1. 铁磁体、反铁磁体与交错磁体

该工作在这里提出了一个十分简洁的能垒模型（图2（左）），用于指导如何实现电学驱动交错磁体奈尔矢量n的180度翻转。简而言之，在具有单轴磁各向异性（MAE）的交错磁体中，奈尔矢量180度翻转前后的两个稳态，即n₊和n_-，它们之间的过渡需要跨越MAE所决定的能垒。对于严格无净磁矩的交错磁体，n₊和n_-应该有相同的能量，这会导致非决定性翻转。然而，由于反演对称性破缺和自旋轨道耦合，实际材料中常有Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用，引起小净磁矩。交错磁体Mn₅Si₃就是一个典型例子。在外磁场H的辅助下，通过引入塞曼能，可以打破从n₊到n_-和从n_-到n₊的能垒对称性，实现决定性翻转。该模型得到了原子自旋模拟的支撑（图2（右））。

图2. 交错磁体奈尔矢量翻转的能垒示意图（左）和微观机制示意图（右）

在上述理论的指导下，我们在交错磁体Mn₅Si₃中，实现了电流驱动奈尔矢量n翻转180度（图3）。通过磁控溅射在Al2O3(0001)基片上制备Mn₅Si₃(0001)薄膜。受外延应力影响，Mn₅Si₃的PT对称性破缺，但其反铁磁亚晶格可以被C_2x旋转对称性连接，理论上是属于交错磁体。第一性原理计算证明了Mn₅Si₃的交错自旋劈裂能带（图3（左上）），并实验证实了反常霍尔效应（图3（左中））。反常霍尔效应成为有效读出n翻转180度的手段，因为只有翻转n才能引起相反的反常霍尔电导率，而翻转DMI诱导的净磁矩m无法实现这一点（图3（左下））。不出所料，在0.2 kOe的小辅助磁场帮助下，打破了n翻转能垒对称性，从而可在Mn₅Si₃/Pt的异质结霍尔条中观测到n翻转180度并通过反常霍尔效应读出（图3（右上））。辅助场反向导致翻转回线从顺时针变为逆时针，验证了图2所描述的机理。值得注意的是，翻转的临界电流密度不随着辅助场的增大而减小，与铁磁体的180度翻转很不同，凸显了奈尔矢量 180度翻转的独特之处（图3（右中））。循环性测试显示，器件可在反常霍尔高低电阻态之间电学稳定反复切换，为实际应用带来了希望（图3（右下））。

图3. 电流驱动Mn₅Si₃奈尔矢量180度翻转。Mn₅Si₃的奈尔矢量和交错自旋劈裂能带（左上）；反常霍尔效应（左中）；奈尔矢量180度翻转和净磁矩180度翻转对反常霍尔电导率的影响（左下）；相反极性辅助场下，自旋轨道力矩驱动奈尔矢量180度翻转（右上）；翻转临界电流密度对辅助磁场大小不敏感（右中）；器件循环性良好（右下）

清华大学是论文第一单位，清华大学博士研究生韩磊和香港科技大学博士研究生符兮之为论文共同第一作者，清华大学潘峰教授，宋成教授和香港科技大学刘军伟教授为论文共同通讯作者。对论文做出重要贡献的合作者还包括清华大学物理系杨鲁懿副教授，美国田纳西大学物理与天文学系Yang Zhang助理教授。该研究工作得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金，香港研究资助局和北京市自然科学基金的资助。

该研究中使用托托科技无掩膜光刻机完成了霍尔条器件的制备工作。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn0479