近日，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所邵定夫研究员团队与合作者在Cell Press细胞出版社旗下期刊Newton上发表题为 “Interface-controlled antiferromagnetic tunnel junctions” 的研究论文，系统阐释了通过反铁磁金属界面效应实现强自旋极化的物理机制，并提出了基于该效应的第三类反铁磁隧道结的设计原则，为构建高性能自旋电子学器件提供了全新思路。

　　预言二维范德华A型反铁磁体(Fe,Co)ₙXTe₂(X=Ge、Ga)可用于构建高性能反铁磁隧道结。

　　随着信息技术的迅猛发展，对于更小、更快、更低能耗的信息器件的需求日益增长。与仅利用电子电荷属性的传统半导体电子学相比，自旋电子学兼顾了电子的电荷与自旋两个自由度，被认为是突破摩尔定律限制、实现下一代电子器件应用的理想选择。目前，磁性隧道结（MTJ）作为自旋电子学中最成功的器件之一，已在存储领域实现了商业化应用。然而，其铁磁电极固有的GHz级动力学响应频率及杂散磁场等问题，制约了器件在速度和存储密度上的进一步提升。相比之下，反铁磁材料因其无净磁矩、零杂散场以及超快的THz级自旋动力学响应特性，被视为构建高速度、高密度自旋电子器件的理想候选材料。因此，基于这类材料的反铁磁隧道结（AFMTJ）被认为是未来高性能自旋电子器件的重要解决方案。

　　图1：(A-C) 反铁磁隧道结的三种基本类型；(D-G) 不同反铁磁结构允许的自旋极化输运特性（体效应）；(H) A型反铁磁体未补偿的界面磁矩支持具有宏观自旋极化的隧穿电流。

　　目前实验上已验证的反铁磁隧道结主要有两类：第一类基于绝缘势垒中由磁场诱导的反铁磁–铁磁相变来产生隧道磁阻（TMR）（图1(A)）；第二类则利用一些非常规反铁磁金属作为电极，借助其自旋劈裂的能带结构特性，实现自旋相关的隧穿电流，从而产生隧道磁阻（图1(B)）。然而，这两类方案均严重依赖于特定的体效应，对材料体系要求苛刻，导致大量缺乏此类特性的反铁磁材料难以被有效利用。因此，开发一种不依赖于体效应的普适性反铁磁自旋输运机制，对于拓宽材料选择范围、开辟反铁磁隧道结研究的新路径具有关键意义。

　　研究团队前期工作表明，反铁磁材料的实空间磁构型可直观反映其自旋输运特性（图1(D-G)）。例如，在由铁磁层/链构成的A型/C型反铁磁体中，沿层/链方向的电流虽不具有宏观自旋极化，却可承载隐藏于层内/链内的奈尔自旋流（Phys. Rev. Lett. 130, 216702 (2023)）。新近发现的X型反铁磁体（Newton 1, 100068 (2025)）则代表了特定方向下子晶格内输运性质存在差异的情形，可产生具有宏观自旋极化的电流。缺乏上述特征的反铁磁体通常不具备显著的自旋相关体效应，因而被认为应用价值有限。尽管理论上其界面处未补偿的磁矩可能诱导出自旋极化，但传统观点认为这种界面效应较弱，不足以支持显著的自旋输运行为。

　　通过对实空间磁构型的深入分析与模型计算，研究团队发现：如果反铁磁体内部的体效应过强，则会削弱或掩盖界面效应。因此，抑制体效应是实现强界面自旋极化的前提。以A型反铁磁体为例，其层间耦合较弱，导致面外输运中的体效应被强烈抑制。此时，若存在一个平整且稳定的界面层，便可产生显著的界面自旋极化（图1(H)）。

　　基于上述分析，研究团队提出了第三类反铁磁隧道结的设计原则——通过界面效应而非体效应实现高效的自旋输运（图1(C)）。研究人员设计了以二维范德华A型反铁磁金属Fe₄GeTe₂为电极、非磁绝缘体BN为势垒的反铁磁隧道结模型。量子输运计算结果表明，即使电极材料本身具有自旋简并的能带结构，界面处依然可以产生显著的自旋极化电流。更重要的是，该自旋极化特性不受电极厚度或层数奇偶性的影响，进一步证实其来源于界面效应（图2）。

　　当调控两侧电极的奈尔矢量相对取向时，器件展现出明显的电阻变化：界面磁矩平行排列时为低阻态，反平行排列时为高阻态，由此产生的隧道磁阻（TMR）可达100%量级，与传统依赖体效应的方案相当，充分证明了界面效应的实际应用潜力（图3）。

　　考虑到基于铁磁相FeₙXTe₂（X=Ge、Ga）的二维范德华磁性隧道结已有实验报道，实验上有望采用类似工艺制备，通过Co掺杂构建基于反铁磁相(Fe,Co)ₙXTe₂的反铁磁隧道结。此外，这类二维A型反铁磁体通常具有PT对称性，可支持奈尔自旋轨道力矩；其弱层间耦合使自旋转移力矩局域于界面层，形成非对称分布；而面内方向的奈尔自旋流还可用于产生奈尔自旋转移力矩。这些独特机制为奈尔矢量与反铁磁畴的电学调控提供了基础，保障了此类反铁磁隧道结的高效电学写入能力（图4）。

　　该研究成果打破了“缺乏体效应即无应用价值”的传统观念，不仅为开发不依赖于特定体效应的反铁磁隧道结提供了理论依据，也极大地拓展了可用于此类器件的材料选择范围。特别是，考虑到许多反铁磁材料可通过调整生长方向实现A型堆叠结构，这项研究为挖掘这些材料长期被忽视的界面特性、探索新颖物性和高性能器件应用奠定了坚实基础，也为未来构建更高速、更高密度的自旋电子器件提供了切实可行的技术路径。

　　邵定夫，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员，从事自旋电子学与量子输运理论研究。目前发表学术论文70余篇，获引用5000余次，其中以第一作者或通讯作者身份在Physical Review Letters、Nature Communications、Science Advances等期刊发表论文30余篇。

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