反铁磁自旋输运理论有新进展

科技日报讯 （记者吴长锋）记者6月12日从中科院合肥物质科学研究院获悉，该院固体所邵定夫研究员及合作者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”，并基于此效应提出了高性能全电控反铁磁隧道结的理论方案。相关研究成果论文日前发表于《物理评论快报》。

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，成为高密度、低功耗、高稳定性、超快读写的下一代自旋电子学器件。然而，由于反铁磁序参量很难通过常规方法进行调控和探测，制约了反铁磁自旋电子学器件的信息读写。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，是反铁磁自旋电子学理想的器件方案，但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，很难通过传统机制实现用于信息读写的隧道磁阻效应和自旋转移力矩效应。

在前期工作基础上，研究人员进一步发现，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，就可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”。基于这一简单而直观的物理图像，研究人员预言，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”。

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。研究人员表示，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。