反铁磁自旋霍尔效应——局域空间反演破缺之美

自旋霍尔效应是产生纯自旋流的一种重要途径，作为自旋电子学的核心之一，已经在高密度信息存储和高灵敏度磁传感等器件得到应用。一旦自旋流的产生与磁化方向相关（磁自旋霍尔效应），这将使得自旋流的控制得到极大的便利。反铁磁材料因其不会产生静磁耦合、内禀频率高（太赫兹频段）和抗外磁场干扰等优势，在超快、超高密度信息存储和高频电子器件领域有广阔的应用前景。如果能通过操控反铁磁磁矩来调控其自旋霍尔效应，不仅可以丰富自旋霍尔效应的物理内涵，还可能为构建超快、超高密度、低功耗的信息存储器件提供新的契机。

清华大学功能薄膜材料研究团队经过多年努力，在具有局域空间反演对称性破缺的线性反铁磁Mn2Au薄膜中（不存在时间反演对称破缺），成功观察到反铁磁自旋霍尔效应。相关结果2021年2月25日在线发表于《自然•材料》，清华大学材料学院为第一完成单位，新加坡国立大学、兰州大学、北京工业大学、华中科技大学和香港科技大学等单位共同协作完成。  

图1.  通过反铁磁自旋霍尔效应产生面外自旋极化的自旋流的机理图。   当电流沿着反铁磁磁矩方向时，由反铁磁磁矩M决定的载流子自旋与局域空间反演破缺诱导的自旋轨道场H相垂直而发生相互作用，从而向面外进动（–M×H），产生面外的自旋极化。由于Mn2Au的亚晶格局域对称性破缺（H与M在两个亚晶格中均反向），该自旋极化在两个相邻的亚晶格上正好叠加。可以理解为，亚晶格空间反演破缺与反铁磁磁矩的共同作用产生了净面外自旋极化。这一过程不需要打破时间反演对称性。  

图2. 利用自旋扭矩-铁磁共振表征面外自旋极化和采用电学方法操控反铁磁磁矩及相关的面外自旋极化。   通过自旋扭矩-铁磁共振（ST-FMR）技术揭示了在Mn2Au中面外和面内自旋极化的自旋流共存。在前期工作的基础上（X. Z. Chen, et al., Nature Materials, 18 (2019) 931；X. F. Zhou, et al., Physical Review Applied, 9 (2018) 054028），采用来自铁电基片的铁弹应变或电流驱动Mn2Au薄膜的反铁磁磁矩在面内旋转，使反铁磁磁矩方向倾向垂直于电流方向，此时面外自旋极化被极大削弱。反之，如果磁矩倾向于平行电流方向，面外自旋极化会得到增强，进而达到通过操控反铁磁磁矩来调控自旋霍尔效应的效果。  

图3. Mn2Au/铁磁体系的零场翻转。   当电流与面内磁化易轴平行时，电流驱动的磁化翻转将具有高速度的优势，而垂直易磁化体系有利于高密度和低功耗信息存储。因此实现上述两种构型的电流诱导的零场翻转具有重要的应用价值。在所获得的面外自旋极化与常规的面内自旋极化的协同作用下，实现了与Mn2Au相邻铁磁层（面内易磁化或者垂直易磁化薄膜）的零场翻转。此外，由于面外自旋极化的自旋流被认为是提高垂直易磁化薄膜的磁化翻转效率的有效途径，当前的研究结果有望成为提高第三代磁随机存储器（SOT-MRAM）工作效率的一种方案。   该工作基于Mn2Au的局域空间反演对称性破缺，观察到面外自旋极化的自旋流，发现了反铁磁自旋霍尔效应，即可以通过操控反铁磁磁矩来实现自旋流的有效调控。利用所获得的面外自旋极化，实现了与Mn2Au相邻铁磁层的零场翻转。

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