自旋霍爾效應是產生純自旋流的一種重要途徑，作為自旋電子學的核心之一，已經在高密度資訊儲存和高靈敏度磁感測等器件得到應用。一旦自旋流的產生與磁化方向相關（磁自旋霍爾效應），這將使得自旋流的控制得到極大的便利。反鐵磁材料因其不會產生靜磁耦合、內稟頻率高（太赫茲頻段）和抗外磁場干擾等優勢，在超快、超高密度資訊儲存和高頻電子器件領域有廣闊的應用前景。如果能透過操控反鐵磁磁矩來調控其自旋霍爾效應，不僅可以豐富自旋霍爾效應的物理內涵，還可能為構建超快、超高密度、低功耗的資訊儲存器件提供新的契機。

清華大學功能薄膜材料研究團隊經過多年努力，在具有局域空間反演對稱性破缺的線性反鐵磁Mn2Au薄膜中（不存在時間反演對稱破缺），成功觀察到反鐵磁自旋霍爾效應。相關結果2021年2月25日線上發表於《自然•材料》，清華大學材料學院為第一完成單位，新加坡國立大學、蘭州大學、北京工業大學、華中科技大學和香港科技大學等單位共同協作完成。

圖1. 透過反鐵磁自旋霍爾效應產生面外自旋極化的自旋流的機理圖。

當電流沿著反鐵磁磁矩方向時，由反鐵磁磁矩M決定的載流子自旋與局域空間反演破缺誘導的自旋軌道場H相垂直而發生相互作用，從而向面外進動（–M×H），產生面外的自旋極化。由於Mn2Au的亞晶格局域對稱性破缺（H與M在兩個亞晶格中均反向），該自旋極化在兩個相鄰的亞晶格上正好疊加。可以理解為，亞晶格空間反演破缺與反鐵磁磁矩的共同作用產生了淨面外自旋極化。這一過程不需要打破時間反演對稱性。

圖2. 利用自旋扭矩-鐵磁共振表徵面外自旋極化和採用電學方法操控反鐵磁磁矩及相關的面外自旋極化。

透過自旋扭矩-鐵磁共振（ST-FMR）技術揭示了在Mn2Au中面外和麵內自旋極化的自旋流共存。在前期工作的基礎上（X. Z. Chen, et al., Nature Materials, 18 (2019) 931；X. F. Zhou, et al., Physical Review Applied, 9 (2018) 054028），採用來自鐵電基片的鐵彈應變或電流驅動Mn2Au薄膜的反鐵磁磁矩在面內旋轉，使反鐵磁磁矩方向傾向垂直於電流方向，此時面外自旋極化被極大削弱。反之，如果磁矩傾向於平行電流方向，面外自旋極化會得到增強，進而達到透過操控反鐵磁磁矩來調控自旋霍爾效應的效果。

圖3. Mn2Au/鐵磁體系的零場翻轉。

當電流與面內磁化易軸平行時，電流驅動的磁化翻轉將具有高速度的優勢，而垂直易磁化體系有利於高密度和低功耗資訊儲存。因此實現上述兩種構型的電流誘導的零場翻轉具有重要的應用價值。在所獲得的面外自旋極化與常規的面內自旋極化的協同作用下，實現了與Mn2Au相鄰鐵磁層（面內易磁化或者垂直易磁化薄膜）的零場翻轉。此外，由於面外自旋極化的自旋流被認為是提高垂直易磁化薄膜的磁化翻轉效率的有效途徑，當前的研究結果有望成為提高第三代磁隨機儲存器（SOT-MRAM）工作效率的一種方案。

該工作基於Mn2Au的局域空間反演對稱性破缺，觀察到面外自旋極化的自旋流，發現了反鐵磁自旋霍爾效應，即可以透過操控反鐵磁磁矩來實現自旋流的有效調控。利用所獲得的面外自旋極化，實現了與Mn2Au相鄰鐵磁層的零場翻轉。

論文連結：

https://dx.doi.org/10.1038/s41563-021-00946-z