自旋霍爾效應實現(xiàn)了電荷電流和自旋電流之間的有效轉(zhuǎn)換，基于此的自旋軌道矩可以通過電流驅(qū)動磁翻轉(zhuǎn)，是現(xiàn)代自旋電子學的關(guān)鍵領域。低功耗、定向性的磁翻轉(zhuǎn)需要自旋電流的自旋極化方向與磁矩方向共線。然而，對稱性限制自旋極化指向面內(nèi)方向，不利于適用于高密度存儲的垂直磁化磁存儲單元翻轉(zhuǎn)。這意味著更大的器件功耗，并且通常還需要外加磁場誘導的對稱性破缺以實現(xiàn)定向性磁翻轉(zhuǎn)。因此，如何調(diào)控自旋極化方向成為該領域亟需解決的科學問題，在磁隨機存儲器中有重要應用價值。

近日，清華大學微電子所南天翔助理教授，威斯康辛大學Chang-Beom Eom教授，聯(lián)合內(nèi)布拉斯加州立大學、康奈爾大學、牛津大學、美國能源部阿貢國家實驗室、美國勞倫斯伯克利國家實驗室、挪威科技大學、以及韓國浦項科技大學等研究團隊，報道了利用非共線反鐵磁性導致的對稱性破缺，在具有三角形磁矩結(jié)構(gòu)的反鐵磁材料中成功實現(xiàn)了對自旋電流中自旋極化方向的調(diào)控，為反鐵磁自旋電子器件的設計提供了新思路。該研究成果以 “Controlling spin current polarization through non-collinear antiferromagnetism”為題發(fā)表在Nature Communications上。

圖1.Mn3GaN材料的晶體、自旋結(jié)構(gòu)以及其非常規(guī)自旋霍爾效應的理論計算。

圖2.Mn3GaN/Py外延異質(zhì)結(jié)。 在常規(guī)的自旋霍爾效應中，對稱性要求電荷電流、自旋電流和自旋極化方向互相垂直。降低自旋電流源材料的對稱性，有可能使自旋極化方向發(fā)生偏移。結(jié)合對稱性分析和理論計算，作者實驗發(fā)現(xiàn)反鐵磁Mn3GaN中具有較大的非常規(guī)自旋霍爾效應/自旋軌道矩，即體系存在與電荷電流方向平行（面內(nèi)x方向）或與自旋電流方向平行（面外z方向）的自旋極化，有別于常規(guī)自旋霍爾效應產(chǎn)生的自旋極化（指向面內(nèi)y方向）。其中，面外自旋極化可以在零外加磁場條件下更有效的驅(qū)動垂直磁化翻轉(zhuǎn)。

圖3. 非常規(guī)自旋軌道矩的實驗觀測。 此前該團隊曾在Science Advances上發(fā)表研究論文“Epitaxial antiperovskite/perovskite heterostructures for materials design”（6，eaba4017，2020），報道了反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的Mn3GaN外延薄膜在幾種鈣鈦礦氧化物襯底上的獨特界面結(jié)構(gòu)，并預測這種阻挫量子自旋材料由于其獨特的對稱性和自旋結(jié)構(gòu)會在自旋電子器件中有很大的應用潛力。

圖4. 自旋軌道矩在反鐵磁-順磁相變過程中的變化。 Mn3GaN的反鐵磁矩呈三角形排列，這種非共線自旋結(jié)構(gòu)可以有效降低體系對稱性，產(chǎn)生的自旋電流具有三種不同的自旋極化方向（圖一）。在高質(zhì)量的Mn3GaN/坡莫合金外延異質(zhì)結(jié)中（圖二），作者通過自旋轉(zhuǎn)矩鐵磁共振實驗成功觀測、區(qū)分且分別量化了具有不同自旋極化方向的自旋軌道矩效率（圖三）,并發(fā)現(xiàn)其與理論計算結(jié)果相吻合。在Mn3GaN材料反鐵磁-順磁相變過程中，結(jié)合中子衍射表征的自旋結(jié)構(gòu)，作者發(fā)現(xiàn)隨著非共線反鐵磁性的消退，非常規(guī)自旋軌道矩消失（圖四），進一步驗證了反鐵磁材料自旋結(jié)構(gòu)和非常規(guī)自旋霍爾效應的強關(guān)聯(lián)性。本文提出的通過對材料自旋結(jié)構(gòu)設計控制自旋極化方向的策略為反鐵磁自旋電子器件開辟了新的道路。 清華大學微電子所南天翔助理教授為論文第一作者，威斯康辛大學麥迪遜分校Chang-Beom Eom教授為論文通訊作者。

論文信息：

T. Nan, C. X. Quintela, J. Irwin, G. Gurung, D. F. Shao, J. Gibbons, N. Campbell, K. Song, S. -Y. Choi, L. Guo, R. D. Johnson, P. Manuel, R. V. Chopdekar, I. Hallsteinsen, T. Tybell, P. J. Ryan, J. -W. Kim, Y. Choi, P. G. Radaelli, D. C. Ralph, E. Y. Tsymbal, M. S. Rzchowski & C. B. Eom, Controlling spin current polarization through non-collinear antiferromagnetism. Nat Commun 11, 4671 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-17999-4 招聘信息：清華大學微電子所南天翔課題組長期從事自旋電子材料和器件的研究，目前擬招聘一名博士后研究員從事相關(guān)方向的科研工作，有意應聘者請將詳細簡歷發(fā)至nantianxiang@mail.tsinghua.edu.cn （詳見課題組網(wǎng)頁：nanlabthu.com）

責任編輯：xj

原文標題：Nature Comm.：非共線反鐵磁性調(diào)控自旋極化

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