在自旋电子学中，带有显著自旋极化的电流/自旋流对信息读写起着至关重要的作用，而自旋中性的电流则通常被认为不能参与读写操作。反铁磁材料具有优越的电子学应用潜力，但通常只支持自旋中性的电流，这使得反铁磁自旋电子学器件的信息读写非常困难。
近日，中科院合肥物质院固体物理研究所邵定夫研究员及合作者在反铁磁自旋电子学领域取得重要进展。该团队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)，可以用来实现反铁磁自旋电子学的高效读写。相关论文于2023年5月22日以“Néel spin currents in antiferromagnets”为题发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。
在自旋电子学领域，带有显著自旋极化的电流/自旋流对器件的电学读写至关重要。这是因为电流/自旋流中携带的自旋极化可以与磁性材料中的磁矩发生相互作用，从而能够对磁有序态进行调控和探测，实现信息的读和写。比如，在结构为“铁磁金属电极/非磁绝缘势垒/铁磁金属电极”的磁性隧道结中(图1a)，铁磁材料的净磁矩伴随着电子态密度的交换劈裂，可以为通过的电流附加显著的自旋极化。当携带自旋极化的电流隧穿通过势垒后，可以驱动隧道磁阻(Tunneling Magnetoresistance, TMR)效应，实现信息的读取；可以驱动自旋转移力矩(Spin-Transfer Torque, STT)效应，调控两侧电极中磁矩的相对方向，实现信息的写入。与铁磁材料相比，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。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(图1b)是反铁磁自旋电子学理想的器件方案，然而，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隧道磁阻和自旋转移力矩效应。
图1：a.基于铁磁金属的磁性隧道结。b. 基于反铁磁金属的反铁磁隧道结。
针对这一难题，中科院合肥物质院固体物理研究所邵定夫研究员及合作者开展了系列理论研究，提出利用一些具有自旋非简并费米面的非常规反铁磁金属作为电极，构建结构为“反铁磁金属电极/非磁绝缘势垒/反铁磁金属电极”的反铁磁隧道结，就可以通过调控两侧电极奈尔矢量的平行态和反平行态来匹配两侧电极费米面上动量分辨的自旋极化，产生低/高两个电阻态，从而在只有自旋中性电流的情况下产生巨大的隧道磁阻效应(图2a)。量子输运计算表明，利用该机制，可以在基于自旋非简并反铁磁金属RuO2的反铁磁隧道结中实现高达500%的隧道磁阻。相关结果发表于Nat. Commun. 12, 7061 (2021)，其中提出的基于费米面匹配的隧道磁阻机制最近在非共线反铁磁隧道结中得到了实验证实。此外，邵定夫研究员还与北京化工大学张书辉副教授及内布拉斯加大学Evgeny Y. Tsymbal教授合作，提出在结构为“反铁磁金属电极/自旋轨道耦合势垒/非磁金属电极”的反铁磁隧道结中，通过匹配电极费米面和隧穿势垒的动量分辨的自旋极化，可以在隧穿过程中发生非对称的动量过滤，从而实现基于自旋中性电流的隧道反常霍尔效应(Tunneling anomalous Hall effect) (图2b)。相关结果发表于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。
图2：a.反铁磁隧道结中基于自旋中性电流的隧道磁阻效应。b. 反铁磁隧道结中基于自旋中性电流的隧道反常霍尔效应。
最近，邵定夫研究员及合作者通过对反铁磁材料的进一步分析和量子输运计算，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的话，就可以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”(图3a)。基于这一简单而直观的物理模型，研究团队预言，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3：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”(图3b)。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，同时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。量子输运计算表明RuO2的[001]方向就具有可观的奈尔自旋流，因此，在(001)取向的RuO2/TiO2/RuO2反铁磁隧道结中，可以利用隧穿的奈尔自旋流将一侧电极中不同子晶格的自旋转移到另一侧电极，从而产生显著的自旋转移力矩效应(图4)。
图4：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。
研究团队还进一步发现，由于奈尔自旋流主要决定于子晶格内部耦合的强弱，即使是具有自旋简并电子结构的反铁磁材料也可以支持奈尔自旋流。理论计算表明，自旋简并的二维A型反铁磁金属Fe4GeTe2具有极强的奈尔自旋流。因此，在基于这种自旋简并反铁磁金属的隧道结中，也可以实现显著的隧道磁阻和自旋转移力矩(图5)。这些在自旋简并体系中产生的新奇输运效应很难用传统机制进行解释，但通过反铁磁“并联电路”模型中的奈尔自旋流就可以很好地理解。
图5：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。
中科院合肥物质院固体物理研究所邵定夫研究员，博士生蒋媛媛和河南工程学院丁俊教授是该工作共同第一作者，中科院合肥物质院固体所邵定夫研究员和美国内布拉斯加大学林肯分校Evgeny Y. Tsymbal教授是该工作共同通讯作者。中科院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
课题组信息：
邵定夫研究员课题组主要从事量子材料与器件的理论研究，近期研究兴趣包括反铁磁自旋电子学、二维铁电材料的自旋-轨道电子学等。现招聘凝聚态理论、计算材料学等方向特任副研究员、博士后。课题组网站：https://shao.dingfu.group/联系方式：dfshao@issp.ac.cn。
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