香港科技大学物理学系副教授刘军伟团队与清华大学的研究团队合作提出了一种新的电控奈尔矢量180° 翻转机制。透过研究 Mn5Si3材料的电控奈尔矢量180° 翻转和读出，团队为制造高效率、高重复性的电控反铁磁存储器装置提供了可能性。这项基础工作亦实现了反铁磁体中电荷和自旋自由度之间的信息转换，为电子工业中自旋电子学的快速发展带来新希望。

以下内容转载自：香港科技大学快讯

香港科技大学（港科大）和清华大学（清华）的研究团队共同合作，在理论上提出了一种新的电控奈尔矢量180° 翻转机制，并在具有 C配对自旋能谷锁定（C-paired spin-valley locking，C-paired SVL）的自旋劈裂能带结构反铁磁体（也称为交错磁体）中完成了实验验证。这一实验证明了反铁磁材料操纵奈尔矢量的能力，为制造超快存储器装置带来新希望。

由于反铁磁自旋电子学器件，具有制造用于现代高性能信息科技的超高密度、超快速的反铁磁储存潜力，一直备受学界和业界的关注。为了生产以方向相反的奈尔矢量作为二进制 「0」和「1」的电控反铁磁存储器装置，实现电控奈尔矢量180° 翻转是一个长期目标。此前，反铁磁翻转机制的最新技术一直被限制在 90° 或 120° 翻转奈尔矢量上，这不可避免地需要多个写入通道，从而与超高密度集成相矛盾。该研究团队对电控奈尔矢量180° 翻转的研究结果，使得自旋劈裂反铁磁体成为超快存储器装置的新潜在材料。

在共线反铁磁体中，奈尔矢量 n 的两个稳定状态 n_+ 和 n_- 被对称的能垒隔开。施加的外磁场与DMI 引起的微小磁矩相互作用，造成了能垒的不对称性，这亦是港科大物理学系副教授刘军伟团队提出的新机制。然后，类阻尼的自旋轨道矩 [2] 可以用来驱动奈尔矢量越过从 n_+ 到 n_- 的能垒，但不能越过相反的能垒（图1a）。如图1b所示，原子自旋模型类比显示，n 可以在0.1纳秒内被决定性地翻转到状态 n_+ 或 n_-。反常霍尔电导从紧束缚模型的自旋劈裂能带上的非零贝利曲率积分得到，且表现出对这两个状态 n_+ 和 n_- 的高灵敏度，如图1c所示。

在清华大学材料学院潘峰教授和宋成教授的带领下，实验制备的反铁磁 Mn5Si3 薄膜实现了良好的循环性能（如图1d所示），这意味着电流驱动的奈尔矢量 180° 翻转具有鲁棒性和可持续性。

图 1 (a) 奈尔矢量180° 翻转的对称（黑线）和非对称（红线）能垒示意图。(b) Mn5Si3奈尔矢量的原子自旋模拟。(c)不同反铁磁构型的反常霍尔电导（紧束缚模型计算）。(d) 实验制备的反铁磁 Mn5Si3 薄膜的良好循环性能。

事实上，刘教授的团队于数年前已提出了名为C配对的自旋能谷锁定（C-paired SVL）的新理论，并发布在科学期刊《自然通讯》。这一理论为反铁磁体的诱导磁化提供了新方法，并为奈尔矢量翻转奠定了基础。与传统的T-paired SVL 材料相比，C-paired SVL 材料通过强交换耦合而非自旋轨道耦合形成自旋劈裂能带。此外，如图2所示，自旋方向相反的自旋劈裂谷相互配对，是由晶体对称性而非时间反演对称性决定的。在实践中，通过施加应变/电流可以轻微地破坏或影响晶体对称性，从而诱导净磁化强度/非共线自旋流。

图 2 (a) T-paired SVL 和 (b) C-paired SVL 的自旋劈裂能带。

研究团队透过研究 Mn5Si3材料的电控奈尔矢量180° 翻转和读出，为制造高效率、高重复性的电控反铁磁存储器装置提供了可能性。这项基础工作亦实现了反铁磁体中电荷和自旋自由度之间的信息转换，为电子工业中自旋电子学的快速发展带来新希望。作为存储器装置（例如计算机硬盘）的潜在应用，该材料具有增强的读写速度以及增加的存储密度等显著优点。

刘教授表示： 「未来，希望团队可以在翻转机制和基础物理领域有更多的探索，并尝试寻找更适合的材料平台，以实现更高的效率。」

该研究最近发表在科学期刊《科学进展》，通讯作者是清华大学潘峰教授和宋成教授，香港科技大学刘军伟教授，第一作者是清华大学和香港科技大学的研究生韩磊和符兮之。