近日，清华大学材料学院/先进材料教育部重点实验室的宋成、潘峰团队在自旋电子学材料与器件方向取得重要研究进展，实现了手性反铁磁序的高效全电学完全翻转。

长期以来，磁存储技术的发展面临两难困境：铁磁电学读写便捷，却因杂散场制约了存储密度的提升，且吉赫兹动力学频率为电学写入速度设定了上限；反铁磁材料虽无杂散场且具备太赫兹动力学优势，但电学读写困难。手性反铁磁材料因其非共线自旋，同时拥有太赫兹磁动力学、零杂散场和自旋劈裂能带等特性，被视为突破这一瓶颈的理想体系。然而，如何在零磁场下实现对其磁序的高效电学操控，始终是推动其走向应用的关键挑战。

针对这一挑战，研究团队通过同质结设计整合了手性反铁磁的“非共线自旋指纹”的两个核心维度，利用非常规自旋流诱发手性反铁磁序的非常规磁动力学，实现了全电学完全翻转。该方案在具备可控的零场翻转极性的同时，效率也实现了大幅度跃升。在此基础上，研究从磁八极子视角切入，破解了手性反铁磁电学翻转的“效率密码”：通过对驱动力和能垒的系统性理论分析，指出自旋极化与磁易面的倾斜几何构型能够突破长久以来的“超低的能垒和超高效的驱动力无法共存”的限制，是实现高效全电学翻转的关键。该机制对其他易面非常规磁体也具有推广意义。该研究打通了手性反铁磁从基础研究走向器件应用的关键环节，不仅为开发兼具超高密度、超快读写和低功耗特性的新一代磁存储奠定了技术基础，也为基于手性自旋振荡和自旋力矩二极管效应的太赫兹纳米振荡器与整流器研发提供了重要科学支撑。

团队通过满足单晶和多晶Mn3Sn所需的不同生长条件，利用分子束外延生长技术构筑了手性反铁磁Mn3Sn同质结（图1a），利用Mn3Sn（0001）产生面外自旋极化（σz），翻转在多晶Mn3Sn层的手性反铁磁序。通过面内大磁场进行预磁化（图1a），操控Mn3Sn（0001）层的磁序取向，进而控制磁自旋霍尔效应，实现零场翻转的开关和极性的反转（图1b）。对比铁磁翻转极易受外磁场的干扰，手性反铁磁的全电学翻转呈现出优越的抗磁场干扰特性（图1c）。

图1.受面内手性反铁磁序所调控的全电学翻转

手性反铁磁是磁八极子的载体，这一磁序概念超越了常规的自旋和磁偶极子概念。亚晶格自旋和磁八极子，为理解手性反铁磁的动力学现象提供了两个截然不同的视角。研究团队从磁八极子视角出发，对自旋力矩特征（贡献翻转所需的驱动力）和磁各向异性特征（影响翻转所需克服的能垒）做了系统的理论分析，揭示了两方面关键机制：（1）磁易面约束下，手性反铁磁和铁磁对于面外自旋的响应有本质区别（图2a和b），垂直于磁易面的分量会产生交换耦合力矩（图2c），是高力矩效率的主要来源；而平行于磁易面的分量产生的驱动力（图2d）用以决定零场翻转的极性。手性反铁磁同质结中，面外自旋极化与Kagomé磁易面成倾斜的几何构型，既实现了全电学翻转，又保留了较高的力矩效率；（2）易面所贡献的能垒极低（图2e和f），利于高效翻转，然而却会使手性反铁磁的翻转不完全。而若为了实现100%翻转而引入二重磁各向异性，却会使能垒成数量级地提升，极大限制翻转效率。在传统的构型中，驱动力优势和能垒优势始终无法共存，而倾斜的几何构型（图2a）则成功突破了这一限制，形成了极高的电学翻转效率。

图2.极高的电学翻转效率的物理根源

研究团队采用临界电流密度Jc、功耗Pc，以及反常霍尔矫顽力与临界电流密度的比值μ0Hc/Jc三项指标来综合评估翻转效率（表格1），新构型下，三项指标均比此前有了大幅优化，与铁磁相比，μ0Hc/Jc更是实现了两个数量级的提升。

表1.Mn3Sn的翻转策略的对比

研究成果以“手性反铁磁序的零场完全翻转”（Field-free full switching of chiral antiferromagnetic order）为题，于2月25日在线发表于《自然》（Nature）。

清华大学材料学院2020级博士生周致远为论文第一作者，材料学院教授宋成为论文通讯作者。研究得到国家重点研发计划、国家自然基金委专项项目、北京市自然科学基金、清华大学“笃实计划”和新基石“科学探索奖”等项目的支持。