固体所预言了反铁磁材料中的奈尔自旋流

近期，中科院合肥物质院固体所功能材料物理与器件研究部邵定夫研究员及合作者在反铁磁自旋输运理论取得重要进展，预言反铁磁材料中自旋中性的电流会携带一种特殊的“奈尔自旋流”(Néel spin currents)，并基于此效应提出了高性能全电控反铁磁隧道结的理论方案。相关工作以“Néel spin currents in antiferromagnets”为题发表于《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett., 130, 216702 (2023))。      反铁磁材料具有零净磁矩、零杂散磁场、超快磁动力学响应等优点，有望取代铁磁材料，实现高密度、低功耗、高稳定性、超快读写的下一代自旋电子学器件。然而，由于反铁磁序参量(奈尔矢量, Néel vector)很难通过常规方法进行调控和探测，制约了反铁磁自旋电子学器件的信息读写。通过隧道磁阻和自旋转移力矩进行电学读写的反铁磁隧道结是反铁磁自旋电子学理想的器件方案，但由于反铁磁材料只有自旋简并的电子态密度，通常只能支持自旋中性的电流，似乎很难通过传统机制实现用于信息读写的隧道磁阻(Tunneling Magnetoresistance, TMR)效应和自旋转移力矩(Spin-Transfer Torque, STT)效应。

邵定夫研究员近年来一直在反铁磁自旋电子学领域从事理论研究，在反铁磁隧道结中提出了基于电极费米面自旋匹配的隧道磁阻机制(Nat. Commun. 12, 7061 (2021))，该机制最近在非共线反铁磁隧道结中得到了实验证实。此外，还与北京化工大学张书辉副教授、内布拉斯加大学Evgeny Y. Tsymbal教授合作，在反铁磁隧道结中提出了基于电极和势垒上非对称自旋匹配的隧道反常霍尔效应(Tunneling anomalous Hall effect)机制(Phys. Rev. B 106, L180404 (2022))。上述工作表明，即使完全基于自旋中性的电流，也可以在反铁磁隧道结中实现大开关比的读取信号。      在此基础上，研究人员进一步发现，如果共线性反铁磁材料中相同子晶格内的磁性原子具有较强耦合，就可将这类反铁磁材料近似地看成是由两个反平行的铁磁子晶格构成的“并联电路”。基于这一简单而直观的物理图像，研究人员预言，这类反铁磁材料中相反的铁磁子晶格会分别对流经其内部的电流进行极化，从而在整体呈自旋中性的电流中形成两支隐藏于子晶格内的相反自旋流。这种反铁磁材料中独有的子晶格分辨的自旋流与此前人们熟知的宏观自旋流完全不同，被命名为“奈尔自旋流(Néel spin currents)”。

图1. (a) 反铁磁材料的“并联电路”模型和其中的奈尔自旋流；(b) 基于奈尔自旋流，反铁磁隧道结可被近似地看成两个铁磁隧道结的并联。

基于奈尔自旋流，有望在反铁磁体系中引起很多过去认为很难实现的自旋电子学输运效应。比如，如果利用支持奈尔自旋流的反铁磁金属作为电极构建反铁磁隧道结，就可以将反铁磁隧道结近似地看作两个铁磁隧道结的“并联”。这为此前预言的反铁磁隧道磁阻和隧道反常霍尔效应提供了一个更本质的理解，也为反铁磁隧道结中自旋转移力矩效应的实现提供了一个直观的图像。通过理论计算，研究人员预言奈尔自旋流可以在基于不同材料的反铁磁隧道结中驱动显著的隧道磁阻和自旋转移力矩效应，有望用来在相关器件中实现全电控的信息读写。

图2. RuO2/TiO2/RuO2 (001) 反铁磁隧道结中由奈尔自旋流驱动的自旋转移力矩。

图3. 基于自旋简并反铁磁材料Fe4GeTe2的反铁磁隧道结中由奈尔自旋流驱动的隧道磁阻和自旋转移力矩。

该工作预言的奈尔自旋流是一种反铁磁材料独有的输运性质，可以驱动很多新奇的自旋电子学效应，如反铁磁隧道结中的隧道磁阻和自旋转移力矩等。该工作为超快写入、精确读取的高性能反铁磁隧道结提供了一个可行的理论框架，有望推动具有易于调控、大开关比等优点的新一代反铁磁自旋电子学的发展。

固体所是该论文的第一单位，邵定夫研究员、固体所2022级在读博士生蒋媛媛和河南工程学院丁俊教授是该论文的共同第一作者，邵定夫研究员和内布拉斯加大学Evgeny Y. Tsymbal教授是论文的共同通讯作者。强磁场中心孙玉平研究员对该工作进行了重要指导。该工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.216702

相关论文连接：

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26915-3

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.106.L180404

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.216702