科大與清華研究團隊合作提出一種電控奈爾矢量180° 翻轉機制

香港科技大學（科大）和清華大學（清華）的研究團隊共同合作，在理論上提出了一種新的電控奈爾矢量180° 翻轉機制，並在具有 C配對自旋能谷鎖定（C-paired spin-valley locking，C-paired SVL）的自旋劈裂能帶結構反鐵磁體（也稱為交錯磁體）中完成了實驗驗證。這一實驗證明了反鐵磁材料操縱奈爾矢量的能力，為製造超快記憶體裝置帶來新希望。

由於反鐵磁自旋電子學器件，具有製造用於現代高性能資訊科技的超高密度、超快速的反鐵磁儲存潛力，一直備受學界和業界的關注。為了生產以方向相反的奈爾矢量作為二進位 「0」和「1」的電控反鐵磁記憶體裝置，實現電控奈爾矢量180° 翻轉是一個長期目標。此前，反鐵磁翻轉機制的最新技術一直被限制在 90° 或 120° 翻轉奈爾矢量上，這不可避免地需要多個寫入通道，從而與超高密度集成相矛盾。該研究團隊對電控奈爾矢量180° 翻轉的研究結果，使得自旋劈裂反鐵磁體成為超快記憶體裝置的新潛在材料。

在共線反鐵磁體中，奈爾矢量 n 的兩個穩定狀態 n_+ 和 n_- 被對稱的能壘隔開。施加的外磁場與DMI 引起的微小磁矩相互作用，造成了能壘的不對稱性，這亦是科大物理學系副教授劉軍偉團隊提出的新機制。然後，類阻尼的自旋軌道矩 [2] 可以用來驅動奈爾矢量越過從 n_+ 到 n_- 的能壘，但不能越過相反的能壘（圖1a）。如圖1b所示，原子自旋模型類比顯示，n 可以在0.1納秒內被決定性地翻轉到狀態 n_+ 或 n_-。反常霍爾電導從緊束縛模型的自旋劈裂能帶上的非零貝利曲率積分得到，且表現出對這兩個狀態 n_+ 和 n_- 的高靈敏度，如圖1c所示。

在清華大學材料學院潘峰教授和宋成教授的帶領下，實驗製備的反鐵磁 Mn5Si3 薄膜實現了良好的迴圈性能（如圖1d所示），這意味著電流驅動的奈爾矢量 180° 翻轉具有魯棒性和可持續性。

事實上，劉教授的團隊於數年前已提出了名為C配對的自旋能谷鎖定（C-paired SVL）的新理論，並發佈在科學期刊《自然通訊》。這一理論為反鐵磁體的誘導磁化提供了新方法，並為奈爾矢量翻轉奠定了基礎。與傳統的T-paired SVL 材料相比，C-paired SVL 材料通過強交換耦合而非自旋軌道耦合形成自旋劈裂能帶。此外，如圖2所示，自旋方向相反的自旋劈裂谷相互配對，是由晶體對稱性而非時間反演對稱性決定的。在實踐中，通過施加應變/電流可以輕微地破壞或影響晶體對稱性，從而誘導淨磁化強度/非共線自旋流。

研究團隊透過研究 Mn5Si3材料的電控奈爾矢量180° 翻轉和讀出，為製造高效率、高重複性的電控反鐵磁記憶體裝置提供了可能性。這項基礎工作亦實現了反鐵磁體中電荷和自旋自由度之間的資訊轉換，為電子工業中自旋電子學的快速發展帶來新希望。作為記憶體裝置（例如電腦硬碟）的潛在應用，該材料具有增強的讀寫速度以及增加的存儲密度等顯著優點。

劉教授表示： 「未來，希望團隊可以在翻轉機制和基礎物理領域有更多的探索，並嘗試尋找更適合的材料平臺，以實現更高的效率。」

該研究最近發表在科學期刊《科學進展》，通訊作者是清華大學潘峰教授和宋成教授，香港科技大學劉軍偉教授，第一作者是清華大學和香港科技大學的研究生韓磊和符兮之。