自旋谷锁定技术推动反铁磁存储器步入亚纳秒时代

香港科技大学和清华大学的研究团队携手，成功研发了一种全新的Néel矢量电性180°翻转机制，并在拥有C自旋分裂能带结构的反铁磁材料中实践验证了这一理论。这种创新机制的关键在于成对自旋谷锁定（简称SVL），也被称作交替磁体。研究团队还展现了对这种材料中尼尔矢量的有效操控能力，为打造超高速存储设备提供了重要的技术支撑。

反铁磁自旋电子学因其有望实现超高密度、超快速度的反铁磁存储器，符合现代高性能信息技术的需求，而备受科研界的关注。其中，实现尼尔矢量的电性180°切换，即利用尼尔矢量的正向与反向分别代表二进制的“0”与“1”，是构建电控反铁磁存储器的核心目标。然而，现有的最先进技术只能实现尼尔矢量的90°或120°切换，这要求使用多个写入通道，显然与追求极致集成度的目标相冲突。如今，对尼尔矢量电性180°翻转的研究使得自旋分裂反铁磁体成为了制造超快存储器的理想候选材料。

研究团队由香港科技大学物理系副教授刘俊伟教授带领，他们提出了一种独特的方法：通过施加外部磁场与微弱的DMI（Dzyaloshinskii-Moriya相互作用）感应力矩相互作用，以打破共线反铁磁体中尼尔矢量n（具有对称能垒的稳定状态n_+和n_-）的能量势垒对称性。接着，运用一种类似于阻尼自旋轨道扭矩的力量，可驱使尼尔矢量n从n_+精确跃迁至n_-，而无法反向跃迁。原子自旋模型模拟显示，这一过程能在短短0.1纳秒内完成确定性的状态切换。进一步将非零贝里曲率积分应用于紧束缚模型的自旋分裂带后，发现反常霍尔电导率对n_+和n_-两种状态有极高的敏感性，为有效读取尼尔矢量状态提供了依据。

清华大学材料科学与工程学院的潘峰教授和宋成教授领导的实验团队，则成功制备了具有良好循环性能的反铁磁Mn5Si3薄膜。这意味着，通过电流驱动实现的180°尼尔矢量切换不仅可行，而且稳定、可重复。

其实，该研究团队早些时候已在《自然通讯》杂志上提出了C配对自旋谷锁定这一新理论，为实现尼尔矢量开关提供了崭新的途径。与传统T配对SVL材料依赖于SOC（自旋轨道耦合）不同，C配对SVL材料通过电子流与局部磁矩间的强交换耦合产生自旋分裂带。并且，这里的自旋分裂谷通过保持晶体对称性而非时间反转对称性，与相反自旋方向配对。通过施加应变或充电电流轻微扰动晶体对称性，可以诱导出净磁化或非共线自旋电流。

结合对Mn5Si3中Néel矢量电性180°切换及读出的理论与实验研究，电控AFM（反铁磁）存储器件展现出高效、高再现性的特点，实现了电荷与自旋自由度间的信息转换，为自旋电子学在电子产业中的快速发展打开了大门。这种材料若应用于存储设备，如计算机硬盘驱动器，将带来显著优势，包括提升读写速度和增加存储密度。获取更多前沿科技信息访问：https://byteclicks.com

展望未来，刘教授期待团队能继续探索更多切换机制及其背后的物理原理，力求找到更合适、更高效的材料平台。这一重要研究成果已发表在权威科学期刊《Science Advances》上。