近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院團(tuán)隊等，突破基于宏觀對稱性與均勻自旋輸運的傳統(tǒng)觀念，提出了基于“非對稱自旋力矩”的反鐵磁奈爾矢量全電學(xué)調(diào)控普適理論。

自旋電子學(xué)器件向小尺寸、高速度、低功耗發(fā)展，反鐵磁材料因宏觀凈磁化為零、太赫茲頻段超快響應(yīng)等優(yōu)勢，成為下一代高密度、超快信息存儲器件的理想候選體系。反鐵磁器件信息讀寫的核心是全電學(xué)確定性調(diào)控奈爾矢量，但受其內(nèi)部強(qiáng)交換耦合的限制，該調(diào)控僅能在少數(shù)材料中實現(xiàn)。因此，提出適用于廣泛共線反鐵磁體的普適電學(xué)調(diào)控機(jī)制，是當(dāng)前領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。

研究團(tuán)隊建立并推導(dǎo)了基于“非對稱自旋力矩”的反鐵磁動力學(xué)理論。解析推導(dǎo)與宏觀自旋動力學(xué)模擬一致表明，子晶格間自旋積累的微小不對稱性，能夠促使類阻尼型力矩與類場力矩協(xié)同作用，打破了傳統(tǒng)對稱機(jī)制下的動力學(xué)平衡，從而驅(qū)動奈爾矢量的確定性翻轉(zhuǎn)。

研究表明，根據(jù)注入自旋極化方向的不同，非對稱自旋力矩在反鐵磁體系中能夠復(fù)現(xiàn)傳統(tǒng)鐵磁體中經(jīng)典的調(diào)控模式。理論模擬顯示，在面內(nèi)磁場輔助的自旋軌道轉(zhuǎn)矩翻轉(zhuǎn)中，反鐵磁因內(nèi)部強(qiáng)交換耦合，可抵御強(qiáng)磁場干擾，使奈爾矢量保持穩(wěn)定翻轉(zhuǎn)。實驗證實，三氧化二鉻這類A型反鐵磁體的垂直奈爾矢量，在3特斯拉面內(nèi)輔助磁場下仍可實現(xiàn)穩(wěn)定的全電學(xué)調(diào)控翻轉(zhuǎn)。

非對稱自旋力矩機(jī)制的建立，為共線反鐵磁體系的奈爾矢量調(diào)控提供了普適的理論方案，搭建起連接傳統(tǒng)鐵磁自旋電子學(xué)與下一代反鐵磁自旋電子學(xué)的理論橋梁。相關(guān)成果為開發(fā)不依賴特定對稱性的通用型反鐵磁寫入技術(shù)提供了理論支撐，為自旋電子學(xué)器件在強(qiáng)磁場下的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)，并為未來反鐵磁體與奈爾矢量相關(guān)的新奇量子物性研究開辟了新方向。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院相關(guān)項目等的支持。