自旋霍爾效應(yīng)實(shí)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(xué)的關(guān)鍵領(lǐng)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(dǎo)的對稱性破缺以實(shí)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(lǐng)域亟需解決的科學(xué)問題，在磁隨機(jī)存儲器中有重要應(yīng)用價值。

近日，清華大學(xué)微電子所南天翔助理教授，威斯康辛大學(xué)Chang-Beom Eom教授，聯(lián)合內(nèi)布拉斯加州立大學(xué)、康奈爾大學(xué)、牛津大學(xué)、美國能源部阿貢國家實(shí)驗室、美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室、挪威科技大學(xué)、以及韓國浦項科技大學(xué)等研究團(tuán)隊，報道了利用非共線反鐵磁性導(dǎo)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(shí)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(shí)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(yīng)/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(yīng)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(shí)驗觀測。 此前該團(tuán)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(dú)特界面結(jié)構(gòu)，并預(yù)測這種阻挫量子自旋材料由于其獨(dú)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(yīng)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(shí)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(jìn)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(yīng)的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。本文提出的通過對材料自旋結(jié)構(gòu)設(shè)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(xué)微電子所南天翔助理教授為論文第一作者，威斯康辛大學(xué)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(xué)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(yīng)聘者請將詳細(xì)簡歷發(fā)至nantianxiang@mail.tsinghua.edu.cn （詳見課題組網(wǎng)頁：nanlabthu.com）

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原文標(biāo)題：Nature Comm.：非共線反鐵磁性調(diào)控自旋極化

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