共線反鐵磁和非共線反鐵磁自旋的外場操控

閆 晗，秦培鑫，劉知琪

(北京航空航天大學材料科學與工程學院，北京 100191)

1 前 言

1988年巨磁阻效應的發現[1, 2]，使存儲數據所需的磁性存儲器件的尺寸極大地縮小，從而使得硬盤的存儲能力顯著提高，革命性地促進了信息存儲技術的發展。這項現代科學與技術的完美結合，為隧穿磁阻效應的發現和自旋電子學的發展奠定了基礎[3-8]。當前的磁存儲記錄設備中，鐵磁材料是信息存儲的主要載體。信息時代的日新月異對高密度低能耗存儲和超快運算速度的需求不斷增大[9, 10]。由于鐵磁材料中存在宏觀磁矩，容易受到外界磁場的擾動，而且雜散磁場的干擾不允許存儲單元之間緊密排列，這客觀上限制了存儲單元的高密度集成。與此同時，鐵磁材料的共振頻率(ωFM≈γHA，HA為各向異性場，γ為電子旋磁比)大約是GHz級，自旋動力學的響應時間一般是ns級，很難滿足未來存儲設備快速寫入/讀取的要求。

表1 鐵磁、共線反鐵磁和非共線反鐵磁特征

反鐵磁中不存在宏觀磁矩，很難通過外部磁場的方式進行自旋調控，因此開發出一種高效、穩定的調控方式成為反鐵磁材料取代鐵磁材料進行實際存儲應用的當務之急。電荷和自旋是電子的兩個本征屬性，材料自旋結構的改變能夠引起材料多種性質的變化，因此自旋也成為了人們調控反鐵磁材料的關注重點。在本文中，主要圍繞共線反鐵磁和非共線反鐵磁材料，概述了近年來利用外場對反鐵磁材料的自旋進行調控的研究，旨在為進一步發展拓寬反鐵磁自旋電子學這個新興領域提供思路。

2 共線反鐵磁外場調控

共線反鐵磁是相對于非共線反鐵磁而言的最典型、最普遍、也是最早被發現的反鐵磁結構。具體而言，指的是在一個特定溫度，即Néel溫度以下，反鐵磁體內部磁結構的兩個子晶格自旋反平行排列，且每一個子晶格的磁矩大小相等、方向相反。這種結構的反鐵磁體的宏觀磁性為零，即對外不顯磁性[58]。

由于共線反鐵磁對外不顯示宏觀磁力線，它的磁矩很難被探測。因為這一原因，自1936年共線反鐵磁被法國科學家Néel發現以來，一直被研究人員所忽視，甚至Néel因為發現反鐵磁而獲得諾貝爾獎后，在演講中提到，反鐵磁雖然在理論研究中很有趣，但是似乎沒有什么實際用途[59]。后來，共線反鐵磁因為和鐵磁之間的交換偏置作用，被應用于磁隧道結中，作為鐵磁的釘扎層。但是這一過程中反鐵磁也僅起輔助作用，對器件的運作沒有起到核心功能作用。近年來，通過理論和實驗的深入研究發現反鐵磁具有一系列優異的性質，如在自旋電子學器件方面表現出巨大的潛力，甚至有望在數據存儲方面取代鐵磁材料。然而，如何對反鐵磁自旋軸進行有效調控，進而實現數據的寫入和存儲，仍然是一個難題。

圖1 自旋翻轉轉變示意圖Fig.1 Schematic illustration of spin-flip transition

圖2 自旋搖擺轉變示意圖Fig.2 Schematic illustration of spin-flop transition

2011年，Park等[18]使用反鐵磁材料IrMn構建了NiFe/IrMn/MgO/Pt的自旋閥結構磁隧道結。他們利用鐵磁材料NiFe，通過鐵磁層和反鐵磁層之間的界面交換彈簧作用引起IrMn反鐵磁自旋軸的旋轉，從而實現隧道結輸運特性的改變。在4 K的低溫環境下，隧道各向異性磁電阻信號變化超過100%(圖3)。這一實驗成果證實了使用反鐵磁材料作為關鍵核心層實現磁存儲的可能性。但是，該隧道結器件僅可在極低溫環境下工作，隧道各向異性磁電阻隨溫度升高而衰減，并在100 K以上完全消失。另外，這種反鐵磁自旋軸的旋轉過程首先需要磁場旋轉鐵磁層的自旋軸，再通過鐵磁層帶動反鐵磁層自旋翻轉，翻轉速度受限于鐵磁層，不能發揮反鐵磁自旋翻轉速度更快的優勢。并且，這種反鐵磁自旋軸調控方式利用外加磁場進行操作，能耗仍然很高。

圖3 NiFe/IrMn/MgO/Pt自旋閥結構磁隧道結[18]：(a)4 K低溫環境下磁隧道結的磁電阻隨磁場的變化曲線，插圖表示NiFe鐵磁層的交換彈簧作用對IrMn反鐵磁層自旋軸的旋轉；(b)磁隧道結的結構示意圖；(c)4 K低溫環境下磁隧道結的磁電阻回滯曲線Fig.3 NiFe/IrMn/MgO/Pt spin-valve-like magnetic tunnel junction[18]: (a) magnetoresistance of magnetic tunnel junction at 4 K, the insets illustrate the rotation of spin axes in IrMn antiferromagnet through the exchange-spring effect of NiFe ferromagnet; (b) schematic of magnetic tunnel junction; (c) hysteretic magnetoresistance of the magnetic tunnel junction at 4 K

隨后，研究人員致力于通過外場直接調控反鐵磁自旋軸。2014年，加利福尼亞大學伯克利分校的Marti等[19]在MgO基片上生長了FeRh反鐵磁單晶薄膜。FeRh在350 K左右存在由低溫反鐵磁相到高溫鐵磁相的一級磁性相變。研究人員首先將FeRh薄膜升溫到約400 K，使其轉變為鐵磁態，再施加一個9 T的外加磁場，使FeRh的磁矩沿外磁場方向排列，并保持磁場冷卻至室溫。結果發現，低溫反鐵磁相的自旋軸方向垂直于冷卻場的方向。這樣就可以通過改變在FeRh磁性相變過程中施加冷卻場的方向來改變FeRh薄膜中反鐵磁自旋軸的方向(圖4a)。同時，電阻測量發現當FeRh反鐵磁自旋軸垂直于電流方向時，電阻較低；自旋軸平行于電流方向時，電阻較高，FeRh反鐵磁相中存在與鐵磁材料相似的各向異性磁電阻效應。該實驗利用磁性相變過程中施加冷卻場方向的不同，通過控制反鐵磁自旋軸的方向，來調控反鐵磁材料的高低電阻態的變化(圖4b)，實現了第一種室溫雙穩態反鐵磁存儲器件的制備。研究成果證明了反鐵磁材料制造存儲器件并通過外場直接調控反鐵磁以進行數據寫入和存儲的可行性。但是，該存儲器件的反鐵磁自旋軸翻轉過程依賴于FeRh的反鐵磁-鐵磁磁性相變，也就是說需要加熱到室溫以上并同時施加高達9 T的外加磁場，過程復雜且能耗非常高，不僅延長了操作時間，也限制了其實際應用。

圖4 FeRh反鐵磁相變存儲器[19]：(a)器件結構和數據讀寫過程示意圖，(b)在200 K以及室溫下測量的高低電阻態Fig.4 FeRh antiferromagnetic phase transition memory deivce[19]: (a) schematic of the device structure and the memory writing and reading procedure, (b) high-resistance and low-resistance states at 200 K and room temperature, respectively

2016年，Jungwirth研究小組[26]利用電流誘導的自旋軌道力矩，調控了室溫下反鐵磁CuMnAs薄膜中的自旋軸。CuMnAs晶體在室溫下為反鐵磁材料，兩個Mn子晶格具有大小相等、方向相反的磁矩，是典型的共線反鐵磁材料。通過向CuMnAs薄膜中通入電流，產生電流誘導的內部交錯自旋軌道力矩，誘使反鐵磁自旋軸翻轉，實現對CuMnAs薄膜反鐵磁序參數的電性調控(圖5a)。同時，由于存在各向異性磁電阻，實現了CuMnAs反鐵磁薄膜電阻高低電阻態的變化(圖5b)。相較于鐵磁材料，反鐵磁薄膜自旋軸翻轉需要的電流密度更低，這就相對減少了數據寫入過程中通入電流產生的焦耳熱。另外，這種通過純電流方式實現反鐵磁材料高低阻態調控的方式不需要加熱與外加磁場，更加方便，為反鐵磁自旋電子存儲器件的實現開辟了新途徑。

盡管這種電流調控方式為反鐵磁存儲的實現帶來了希望，并吸引了研究者們的興趣，一度將反鐵磁自旋電子學的研究推向熱潮，然而，這種反鐵磁調控方式背后的機制還不是非常明確。2019年，美國約翰霍普金斯大學Chein研究團隊[60, 61]對這種向反鐵磁薄膜通入電流使材料電阻改變的機制提出了不同的觀點，他們認為電阻變換并非來自于自旋軌道力矩。在實驗中，他們發現Pt/NiO/Si異質結的電阻變化只會發生在當電流密度超過一定閾值大電流的非歐姆電阻區域，這時會產生大量的焦耳熱，有可能會永遠改變材料的電阻率和其他性質。而且，當基底不同時，電阻變化也會發生改變，這可能是由于基片熱導率的差異引起焦耳熱對材料電阻率的影響不同(圖6a～6f)所導致的。進一步地，他們移除了異質結中的反鐵磁NiO層，將Pt直接生長在了不同的Si、MgO和玻璃基片上，通入電流后，三者都出現了類似于之前報道中自旋軌道力矩引起的鋸齒狀電阻變化。但是，在熱導率最大的Si襯底上的Pt電阻變化很小，對于熱導率最小的玻璃襯底，Pt薄膜的電阻變化最大，而熱導率居中的MgO上的Pt電阻變化幅度居于前兩者之間(圖6g～6l)。這一結果更加支持了這種電阻變化是焦耳熱作用的結果的觀點。因此，他們認為電流調控反鐵磁電阻變化不是由于電流誘導的自旋軌道力矩使反鐵磁的奈爾矢量發生了翻轉，而是由于大電流通過反鐵磁材料時產生的熱效應。

圖6 電流焦耳熱對材料電阻變化的貢獻[60]：器件結構以及霍爾電阻測量(a)和普通電阻測量(b)原理示意圖；施加電流脈沖后，Pt/NiO/Si中的霍爾電阻(c)和普通電阻(d)變換以及Pt/NiO/玻璃中的霍爾電阻(e)和普通電阻(f)變換；施加電流脈沖后，Pt/Si(g)、Pt/MgO(i)和Pt/玻璃(k)中的霍爾電阻變換以及Pt/Si(h)、Pt/MgO(j)和Pt/玻璃(l)中的普通電阻變換Fig.6 Contribution of joule heating to resistance switching[60]: schematic illustrations of devices and measurement geometry of Hall resistance (a) and longitudinal resistance (b); swithcing of Hall resistance (c) and longitudinal resistance (d) in Pt/NiO/Si and swithcing of Hall resistance (e) and longitudinal resistance (f) in Pt/NiO/glass after applying pulses current; swithcing of Hall resistance in Pt/Si (g)，Pt/MgO (i) and Pt/glass (k) and switching of longitudinal resistance in Pt/Si (h)，Pt/MgO (j) and Pt/glass (l)

另一研究[62]認為鋸齒狀電阻變化是熱效應導致的，而自旋軌道力矩可以引起階梯狀電阻變化。自旋軌道力矩仍是一種有效調控反鐵磁自旋進而引發反鐵磁材料電阻變化的方式。這種調控方式的一個關鍵問題是識別和排除電流引起的熱效應的影響。

但是，之后一些對這種電阻變化現象的深入研究得出了不同結論。蘇黎世聯邦理工學院Gambardella團隊[63]在不同的絕緣基片上分別生長了Pt薄膜和Pt/NiO雙層膜，觀察到電流脈沖在這兩種體系中都會產生同樣的鋸齒狀和階梯狀電阻變化，排除了這些電阻變化來自于NiO反鐵磁自旋軸翻轉，基片熱擴散率對電阻響應有重要影響。他們認為Pt層通入電流產生焦耳熱后的熱退火作用會引起局部電阻率降低，而電場誘發的離子遷移會引起電阻率增加，這兩種效應共同作用、相互競爭，最終導致材料電阻高低的變化。麻省理工學院Beach團隊[64]同樣觀察到，沒有反鐵磁層的Pt/Al2O3中通入電流脈沖會產生類似于Pt/NiO/Al2O3中的鋸齒狀和階梯狀電阻變化。結論表明，這種電阻變化來源于材料局部熱效應，是材料中焦耳熱不均勻導致的電流分布變化與電場引起離子遷移共同作用的結果。這些工作與之前關于熱效應的研究結果一致，共同支持了這種電流脈沖引起的電阻變化與反鐵磁自旋翻轉無關，而與電流產生的熱效應存在密切關系這一結論。

除此之外，來自麻省理工學院Liu研究小組[65]也發現了反鐵磁中的電阻轉變并非來源于磁性力矩的情況。他們發現，對于通入電流引起共線反鐵磁材料α-Fe2O3的電阻變化，有無外加磁場對這一過程并沒有影響，因為α-Fe2O3室溫下存在傾斜的未補償的磁矩，這說明很可能電流引起的反鐵磁電阻變化與磁性矢量并不相關。電阻變化前后的自旋霍爾磁電阻(spin Hall magnetoresistance，SMR)信號沒有明顯的變化更加說明電流誘導電阻變換和奈爾矢量旋轉之間是獨立的。從而提出電流產生的焦耳熱使基片晶格受熱膨脹，再通過磁彈性耦合對α-Fe2O3反鐵磁的電阻變換產生重要貢獻。這些不同的觀點和爭論使這種電流調控的鋸齒狀電阻變換的潛在起源和機制變得撲朔迷離[60-67]。電流產生的大量焦耳熱對電阻變換的貢獻和影響也使得這種方式調控反鐵磁在實際應用上不具有優勢，因為焦耳熱效應并不可靠且不便于外部控制，研究者們期望尋找可靠的低能耗反鐵磁自旋調控方法。

作者課題組[51]提出一種電場誘發鐵電基片壓電應力調控反鐵磁薄膜電阻的方法。在鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PbMg1/3Nb2/3O3-PbTiO3, PMN-PT)鐵電單晶基片上生長外延的MnPt共線反鐵磁薄膜，通過施加一個垂直于樣品表面方向上的電場誘發基片產生壓電應力(圖7a)，使外延的反鐵磁薄膜產生連續的面內雙軸壓縮應變，薄膜的反鐵磁自旋軸朝著表面法線方向旋轉(圖7e和7f)。同時，由于存在各向異性磁電阻，反鐵磁軸的旋轉會使薄膜電阻發生變化。這樣電阻隨著電場呈現不對稱蝶形圖樣的連續變化，可以得到高低電阻態。重要的是，這種高低電阻態是非易失性的，即在零電場下也可以保持(圖7b和7c)。該工作實現了一種電場誘導壓電應力調控的反鐵磁存儲器件。這種新型的電場調控依靠壓電應力的方式，由于鐵電氧化物基片是絕緣的，所以產生的電流非常小(～nA)，基本可以忽略，這意味著數據寫入過程中產生的能耗將很低。同時，由于電流非常小，而且MnPt共線反鐵磁的反鐵磁耦合相當強，因此該壓電應力控制存儲器件的數據寫入過程以及數據存儲可以不受強磁場的影響，寫入的高低電阻態在60 T超強脈沖磁場中仍然非常穩定(圖7d)。所以，集成了穩定的反鐵磁性和有效的電場調控反鐵磁方法的這一器件具有獨特的優勢，尤其是對強磁場的不敏感性將使其不易消磁并可能應用于航空航天等特殊的領域。

圖7 電場誘發壓電應力調控的MnPt反鐵磁存儲器[51]：(a)器件結構以及電場調控示意圖；(b)室溫下MnPt薄膜電阻隨門電壓的變化；(c)在室溫以及0，9和14 T磁場下，由+1.87和-6.67 kV/cm的電壓脈沖激發的高電阻態和低電阻態；(d)室溫下施加高達60 T的脈沖磁場時低電阻態的變化；高電阻態(e)和低電阻態(f)的自旋結構示意圖Fig.7 MnPt antiferromagnetic memory device manipulated by piezoelectric stress[51]: (a) schematic of the device structure and electric-field control; (b) gate-voltage-dependent resistance of the MnPt film at room temperature; (c) the high- and low-resistance states triggered by gate voltage pulses of +1.87 and -6.67 kV/cm, respectively, at room temperature under a magnetic field of 0, 9 and 14 T; (d) low-resistance state as a function of a pulsed magnetic field up to 60 T at room temperature; illustrations of the spin structure at the high-resistance state (e) and low-resistance state (f)

在共線反鐵磁的磁場調控和電流調控都存在局限的情況下，電場引發的壓電應力調控給出了另一種思路，對較難調控的共線反鐵磁自旋軸實現了相對有效的控制。緊隨壓電應力調控MnPt的文章之后，通過對PMN-PT鐵電基片施加電場誘發壓電應力對共線反鐵磁Mn2Au進行有效調控的研究也被報道[68]。此外，有關的理論計算研究[69]也表明，對于MnX(X=Ir,Rh,Ni,Pd,Pt)共線反鐵磁，電場誘發較小的壓電應力即可控制反鐵磁自旋軸旋轉90°，且該壓電應力調控自旋的方式有可能對于共線反鐵磁調控是通用的。因此，作者課題組[11, 51]提出了“反鐵磁壓電自旋電子學”的新概念。

最近，Barra等[70]通過對SMR效應的測量研究了在PMN-PT鐵電基片上施加電場誘發壓電應力對共線反鐵磁NiO的調控。研究發現隨著施加電壓的增大，SMR信號達到飽和所需要的磁場減小了，這說明類似于外加磁場，外加電場誘發的壓電應力通過調控各向異性可以有效地操縱反鐵磁自旋軸。當壓電應力和磁場共同作用于NiO時，反鐵磁奈爾矢量的取向取決于外加磁場和壓電應力引發的各向異性之間的平衡。進一步通過理論計算模擬了壓電應力和磁場共同作用對SMR響應的影響(圖8)，進一步揭示了兩種調控機制之間的聯系，模擬結果與實驗結果也較為相符。該成果再次從實驗角度證明了電場誘發壓電應力方式對共線反鐵磁進行電調控的可行性。這種調控方式在反鐵磁調控方面具有高有效性和低能耗等獨特優勢，在反鐵磁存儲器件和其他自旋電子器件應用中發揮重要作用。

圖8 NiO中自旋霍爾磁電阻信號的應力-磁場相圖[70]Fig.8 Strain-field phase diagram of SMR signal in NiO[70]

與此同時，另外一種電場調控方式也被研究者們用于反鐵磁調控，即離子液調控[65-68]，它是通過電場激發離子液中的靜電載流子注入相鄰的磁性材料中，改變材料的載流子密度，從而對材料的電性、磁性進行調控。這種方法只需要最多幾伏特的較低電壓，就可以產生較大范圍的影響，可穿透材料表面以下幾納米的深度，在～1015cm-2大范圍內改變載流子密度，因此該方法對材料的電性、磁性調控是比較顯著的。

2015年，清華大學Pan和Song研究小組[71]的文章報道，在離子液體上施加電壓對共線反鐵磁MnIr薄膜和CoPt鐵磁多層膜之間的交換彈簧進行控制(圖9a)。在Si基片上依次生長了MnIr薄膜和CoPt多層膜，其后用HfO2封裝以防止離子液與器件功能區發生化學反應。當在頂層的HfO2上滴加離子液并施加負電場后，霍爾信號的磁滯回線向磁場數值的負方向移動，而在施加正電場后，這種變化正好相反(圖9c)。此外，施加電壓使反鐵磁和鐵磁之間的交換偏置效應得到增強(圖9d)。他們認為，這種電場激發的離子液調控使MnIr中的載流子濃度發生變化，進一步改變了Mn的電子結構并使磁矩旋轉。這一調控得到了非易失性的高低電阻態并且在一定的磁場下仍然穩定(圖9e)。該研究實現了電場引發的離子液控制載流子注入對共線反鐵磁磁性和電阻的調控。

圖9 MnIr共線反鐵磁薄膜的離子液調控[71]：(a)器件結構、測量原理、施加正的門電壓的電荷分布、MnIr薄膜的自旋結構以及機械彈簧的示意圖；(b)室溫下，器件電阻與施加門電壓時間的關系；(c)10 K環境下，施加不同的門電壓后，由3 nm MnIr薄膜構成的器件的反常霍爾效應信號；(d)從圖9c中提取的交換偏置場HE和矯頑場HC；(e)10 K環境下，由不同的門電壓引發的在10 T外加磁場范圍內的磁電阻Fig.9 Ionic liquid control of MnIr collinear antiferromagnetic film[71]: (a) schematics of device structure, measurement geometry, charge distribution with a positive gate voltage, the spin structure in MnIr film and mechanical spring; (b) resistance of the device as a function of time on applying a gate voltage at room temperature; (c) anomalous Hall effect signal of the device with a 3 nm MnIr film after applying different gate voltages at 10 K; (d) the exchange bias field HE and coercive field HC extracted from Fig.9c; (e) magnetoresistance with applied magnetic field up to 10 T induced by different gate voltages at 10 K

隨后，一些研究小組實現了在純反鐵磁結構中單個反鐵磁層的離子液調控[72-74]，有望實現離子液調控的反鐵磁存儲器件。由于是電場調控，這一方式同樣具有低能耗的特點。但是，這種方法同樣存在一些顯著的缺點，比如，對材料的調控過程往往耗時較長(圖9b)，而且不能在低溫下進行，因為低溫下離子液會改性甚至在熔化溫度以下會凝固。此外，還需要液體狀態的離子液與材料形成固液界面，也就意味著這種方式很難與現有的電子電路工藝兼容以及高密度集成。

3 非共線反鐵磁外場調控

當電流經過導體，與此同時在電流垂直方向施加一個磁場，由于洛倫茲力的作用載流子會在垂直于電流和磁場的方向上發生偏轉，進而產生電勢差，這就是Hall在1879年提出的霍爾效應[75]，由此而生的霍爾器件被廣泛地應用于傳感、探測和現代汽車工業領域。然而Hall在隨后的研究中發現，磁場并不是產生霍爾效應的必要條件，鐵磁材料中的自發磁化強度會使得霍爾效應在零磁場的環境下出現，這種現象被稱為反常霍爾效應[76]。人們普遍地將反常霍爾效應歸因于磁性材料中的自旋軌道耦合作用，并認為反常霍爾效應與材料的磁化強度大小呈正相關。反常霍爾效應因其不需要任何外加磁場，成為人們開發新型傳感器件和磁隨機存儲器件的研究熱點。

傳統的共線反鐵磁材料，兩套自旋子晶格反向平行排列，不存在宏觀磁矩，所以沒有反常霍爾效應。非共線反鐵磁材料的自旋擁有Kagome構型，在平面內呈三角形排列。Chen等[77]通過理論計算表明在非共線反鐵磁Mn3Ir中存在大小與鐵磁過渡金屬相近的反常霍爾效應。他們指出，反常霍爾效應并不是來自非共線自旋結構中由于自旋傾斜產生的微小凈磁矩，而是自旋軌道耦合和非共線自旋結構導致的時間反演對稱破缺的作用結果。之后，Kübler等[78]預測在非共線反鐵磁Mn3Sn和Mn3Ge中也存在可觀的反常霍爾效應。非共線反鐵磁材料因其同時具有反鐵磁材料超快的THz自旋動力學特性以及眾多新奇的物理現象如反常霍爾效應等，被人們認為是下一代自旋電子學器件的理想材料，如何利用簡單、快速的方式有效調節非共線反鐵磁材料的自旋是一個關鍵的科學問題。

2015年，Nakatsuji研究團隊[24]首次在室溫下觀察到非共線反鐵磁Mn3Sn塊體中出現了顯著的反常霍爾效應，證實了非共線自旋結構破壞了面內的六角對稱性，引起非零的貝利曲率，從而在非共線反鐵磁中產生反常霍爾效應，其對應的霍爾電阻可以被正負磁場可逆翻轉，這也充分說明磁場可以作為一種有效的手段調節非共線反鐵磁的自旋結構。

電流通過重金屬層時會由于自旋軌道耦合作用誘導產生自旋軌道力矩，進而可以調控相鄰層材料的磁矩，這是當前電控磁領域一種比較常用的方法，已經在鐵磁和共線反鐵磁材料中實現。Nakatsuji研究團隊[79]最近成功地在室溫下利用電流調控了外爾非共線反鐵磁金屬Mn3Sn中的拓撲反鐵磁態。外爾金屬具有很多新奇的物理特性，如反常霍爾效應、手性異常等。在主要結構為Mn3Sn/Pt的器件上通入一個周期為100 ms的寫入電流脈沖，并在面內水平方向施加大小為0.1 T的偏置磁場，當寫入電流脈沖的電流密度超過臨界電流密度時，會使霍爾電壓曲線中出現突變。

霍爾電壓的變化與相鄰非磁金屬層的自旋霍爾角θSH的正負密切相關，當非磁金屬層由Pt (θSH>0)替換成W (θSH<0)后，霍爾電壓的翻轉極性相反(圖10a)。而當非磁金屬層換成Cu (θSH=0)后，電流調控霍爾電壓的現象消失，說明了非磁金屬層的自旋霍爾效應產生的自旋軌道力矩引起了反鐵磁疇的垂直變化。與此同時，分別通入相反方向的電流或者施加相反方向的磁場，霍爾電壓翻轉極性也會發生變化。增大施加的磁場強度，霍爾電壓變化的絕對值也會增加(圖10b)。周期性的交替脈沖電流會使霍爾電壓穩定可逆、周期性地改變(圖10c)，表明了這種調節方法的可靠性，雖然產生焦耳熱是不可避免的，但是卻比相似的鐵磁/非磁雙層結構中的電流密度低，能耗也相對減少。利用電流誘發自旋軌道力矩進行非共線自旋結構調控能夠支持可循環的雙極寫入的反鐵磁存儲器，這一工作將拓撲反鐵磁材料與自旋電子學相結合，推動了拓撲反鐵磁自旋電子學領域的發展。

圖10 室溫下具有不同非磁金屬層的器件的霍爾電壓與電流的關系(a)，不同磁場下霍爾電壓與寫入電流的依賴關系(b)，相反的脈沖寫入電流產生的高低霍爾電壓狀態(c)[79]Fig.10 Hall voltage versus write current for devices with different nonmagnetic metal layers at room temperature(a), Hall voltage versus write current under different magnetic fields(b), the high Hall voltage and low Hall voltage realized by pulses of distinct electric current(c)[79]

施加電場使壓電材料產生壓電應力，進而對集成到壓電材料上面的非共線反鐵磁薄膜的自旋結構進行調節，是一種相對電流調控更加節能的操控手段[80]。例如，非共線反鐵磁Mn3Pt，在360 K下會發生一級結構相變，自旋結構從非共線反鐵磁轉變為共線反鐵磁。作者課題組[32]在壓電基片BaTiO3上生長了高質量的Mn3Pt薄膜，并在溫度小于360 K時觀察到了顯著的反常霍爾效應和由于非共線自旋結構傾斜造成的微弱的凈磁化強度(圖11a和11b)。當在壓電基片上施加4 kV/cm的電場時，Mn3Pt薄膜受到來自BaTiO3襯底應力作用的影響，面內被壓縮，面外被拉伸，其中面內受到的壓縮應變約為0.35%。這使得Mn3Pt薄膜的相變溫度升高了約25 K(圖11c)，并且在360 K時依舊保持非共線反鐵磁的自旋結構(圖11d)。這項工作實現了在Mn3Pt薄膜相變溫度附近反常霍爾效應的可逆性開關調控，表明了在鐵電材料上施加電場激發壓電應力可以有效操控非共線反鐵磁自旋結構，也為制備超低能耗反常霍爾效應信息存儲器件提供了新的方向。此外，同濟大學丘學鵬教授研究團隊[81]發現薄膜生長的外延應力可以顯著調控非共線反鐵磁Mn3Pt的反常霍爾效應。

圖11 不同溫度下Mn3Pt薄膜的反常霍爾效應曲線(a)；Mn3Pt薄膜在300和365 K 下的磁化強度曲線(b)；在零電場和EG=4 kV/cm電場的條件下，Mn3Pt薄膜電阻率隨溫度的變化曲線(c)；Mn3Pt薄膜在360 K不同電場激發下的反常霍爾效應(d)[32]Fig.11 Anomalous Hall effect of Mn3Pt thin film at different temperatures(a), magnetization of Mn3Pt thin film at 300 K and 365 K(b), the plots of resistivity versus temperature for the Mn3Pt film under zero electric field and EG=4 kV/cm(c), anomalous Hall effect under EG=0 and 4 kV/cm respectively at 360 K(d)[32]

作者課題組[82]在后續的工作中，把壓電應力調控非共線反鐵磁的方法進一步拓展到了具有相同非共線反鐵磁結構的Mn3Sn中，初步的實驗發現在低溫(150 K)下，施加電場引發的壓電應力作用使得反常霍爾效應顯著增大(圖12a)。隨后，北京科技大學姜勇團隊[83]進一步在鐵電單晶基片PMN-PT上優化了Mn3Sn薄膜的制備，并在室溫下實現了壓電應力對Mn3Sn反常霍爾效應的調控(圖12b)。此外，作者課題組[84]也實現了室溫下壓電應力對非共線反鐵磁Mn3Ga自旋結構的調控(圖12c)，以及在Mn3Ge薄膜中得到了室溫下穩定可逆的高低電阻態[85]。這些工作推動了非共線反鐵磁材料的自旋器件化，進一步豐富了電場對非共線反鐵磁材料自旋調控的研究。

圖12 150 K溫度下，電場誘發壓電應力對Mn3Sn薄膜反常霍爾效應的調控(a)[82]；室溫下，電場誘發壓電應力對Mn3Sn薄膜反常霍爾效應的調控(b)[83]；室溫下，電場誘發壓電應力對Mn3Ga薄膜自旋結構調控的示意圖(c)[84]Fig.12 Manipulation of anomalous Hall effect induced by piezoelectric strain in Mn3Sn thin film at 150 K(a)[82], modulation of anomalous Hall effect induced by piezoelectric strain in Mn3Sn thin film at room temperature(b)[83], schematic illustration of noncollinear spin structure controlled by piezoelectric strain in Mn3Ga thin film at room temperature(c)[84]

在上述利用電場誘發壓電材料產生壓電應力的方法都是通過施加直流電壓來產生電場。最近Hong研究小組[86]創新性地采用頻率為kHz級的交流電壓施加在壓電基片PMN-PZT上，調控反鐵磁與鐵磁雙層材料之間的交換耦合作用。由于交流電壓的頻率很快，施加電壓的方向不斷變化，所以面內受到的應力來回改變，就像是受到機械振動一樣。未磁場化過的非共線反鐵磁Mn3Ir和鐵磁CoFeB雙層異質結薄膜沒有出現交換偏置(圖13a)，這是因為Mn3Ir中的反鐵磁疇的隨機取向導致其與相鄰鐵磁層的耦合也是隨機取向的，所以磁化曲線表現為各向同性。

一般來說，要讓反鐵磁/鐵磁雙層異質結構產生交換偏置，需要升高溫度至反鐵磁的Néel溫度以上，并沿著某個特定方向施加磁場，使反鐵磁疇的取向一致，進而與相鄰的鐵磁層建立界面鐵磁耦合。但是，這種方法需要升溫，不利于很多利用交換偏置現象的應用。在“磁場-機械振動”的方法中，在室溫下沿著基片厚度方向施加一個交流電場，同時固定大小為0.5 T的磁場在面內的特定方向，就可以得到十分顯著的交換偏置現象。交流電場引發的交流應變的量級相對更大，能夠比直流應變更加有效地調控反鐵磁的各向異性，并且當施加相反方向的磁場時，交換偏置的方向也會發生改變，周期性地改變磁場方向，就可以得到可逆的交換偏置變化。當交流電場的頻率達到3 kHz的時候，還能避免多次循環造成的交換偏置效應的衰減(圖13b)。

利用在鐵電材料上施加電場產生壓電應力可以對非共線自旋結構產生影響，那么直接利用靜態壓力的作用也應該有類似的效果。Nicklas研究組[87]采用夾緊式的壓力池來產生靜水壓強，壓強的大小可以由裝置旁邊鉛的超導臨界溫度表示，這種壓強以硅油為傳壓介質，全方位、均勻地施加在單晶Mn3Ge塊體的各個部位。在0.05 GPa的壓強下，從5～300 K都可以清楚地觀察到反常霍爾效應(圖14a)，效應大小隨著測量溫度的降低而增大，并在低溫下趨于飽和，但是曲線沒有回滯現象。當施加2.85 GPa的壓強后，非共線反鐵磁Mn3Ge的反常霍爾電阻值降低(圖14b)，并且與溫度的依賴關系發生變化。在5 K的溫度下，反常霍爾電阻值反而最小，表明壓力對于非共線自旋結構的調控會受到溫度因素的影響，這也是一個值得探究的問題。與此同時，在2.85 GPa的壓強下，反常霍爾電阻的符號改變，并且反常霍爾曲線出現回滯現象，矯頑場大約為0.25 T。

在室溫下施加一系列不同的壓強，反常霍爾電阻首先隨著壓強的增大而減小直至消失，然后符號改變并不斷增大(圖14c和14d)。矯頑力的出現是由于外部壓強會使Mn3Ge中非共線的自旋結構由平面內向平面外發生轉動，導致面內反鐵磁疇形成，這就需要較大的磁場去反轉。而反常霍爾電阻符號的改變則被歸因于電子能帶結構變化后產生的貝利相符號的改變。

4 反鐵磁材料未來應用的展望

反鐵磁材料除了可以被直接應用為傳統自旋電子器件的核心功能材料外，還可以應用于未來新型信息器件中，如類腦計算領域。人類每天要進行數萬次的思考來做出選擇和判斷以支撐正常的學習工作和生活，人的大腦中存在大約1011個神經元和1015個突觸，要產生大量的電信號和化學信號，但是功耗卻只有20 W。借鑒人腦的神經網絡結構，由此誕生的神經形態計算具有高度并行化、超低能耗、存算一體等優點而受到人工智能領域的廣泛關注。神經形態計算的工作機理更加接近大腦，有望克服深度學習的不足而成為解決人工智能問題的更佳途徑，或將成為未來信息技術領域的一次重要革命[88]。

脈沖信號是神經元活動的一個特征，在生物學概念上被稱為動作電位，它可以在神經元之間傳遞，進行信息的流動。反鐵磁材料具有THz級的響應頻率，能夠產生ps級的脈沖信號，成為了人工神經形態器件材料的潛在選擇。同時，在特定的反鐵磁/鐵磁異質結構中，反鐵磁可以同時產生自旋流和空間非均勻的交換作用，從而實現鐵磁材料的零場下多級調制開關，這種異質結構也作為人工突觸和神經元結構貫穿于神經形態計算中。最近，Zhang等[89]提出了基于反鐵磁絕緣體的全自旋神經形態平臺，反鐵磁絕緣體可以提高自旋力矩的轉化效率，能夠進一步降低能量的消耗。Kaushik等[90]報道了基于反鐵磁斯格明子的人工神經元器件，可以減弱馬格努斯效應(Magnus effect)作用而保持直線的運動軌跡，克服了鐵磁斯格明子的限制，并且反鐵磁斯格明子之間的相互作用能夠降低電流密度。

此外，電場調控反鐵磁自旋結構具有漏電流低、耗能少的優點，但是現階段的操控都是利用在壓電基片上施加電場完成的，這對進一步實現器件微型化是不利的。因此，如何將電場調控的方法集成到器件應用上是一個值得研究的問題。常用的壓電基片材料有PMN-PT、BaTiO3等[91-93]，如果能將這些材料做成薄膜，然后再將反鐵磁材料沉積到上面，可以極大地縮小器件的尺度。在壓電薄膜上施加電場，能否產生相似的操控效果，而且薄膜能不能在連續電場作用下保持結構和性質穩定，以及實現壓電材料薄膜化之后的應用集成等都是今后利用電場操控反鐵磁材料自旋結構的研究焦點。

5 結 語

本文總結了近年來利用外場調控共線反鐵磁以及新興的非共線反鐵磁材料自旋結構的研究進展，重點概述了磁場、電流誘導的自旋軌道力矩、電場誘發壓電應力等外場操控方法。同時，展望了反鐵磁材料在神經形態計算方面的發展潛力和應用前景，討論了利用壓電基片進行電場操控的微型器件集成化的問題。總之，現有的每一種操控反鐵磁自旋的方法都有其優點和不盡如人意之處，本文旨在推動有效控制反鐵磁材料自旋結構方法的不斷進步和嶄新的操控手段及理念的產生，有望促進整個反鐵磁自旋電子學領域和信息技術行業的發展。