相比于铁磁材料，反铁磁材料由于具有近乎为零的杂散磁场、高自旋动力学频率等优点，被视为下一代高速、高密度磁性存储的理想候选材料。然而，如何利用电学方法有效检测反铁磁序是反铁磁在信息存储器件的应用中亟待解决的关键问题。如图1所示，对于铁磁态的电学探测，通常是利用隧穿磁电阻效应，即在结构为「铁磁/绝缘势垒/铁磁」的磁性隧道结中，利用磁矩取向平行和反平行时的电阻差值来实现。基于铁磁材料的磁性隧道结也是当前磁性信息存储器件，如磁性随机存储器的核心结构单元。然而对于传统反铁磁材料，由于其能带是自旋简并的，因此在「反铁磁/绝缘势垒/反铁磁」的磁性隧道结中并不存在显著的隧穿磁电阻效应。

图1. 铁磁隧道结与传统反铁磁隧道结的比较

最近的理论研究表明：具有某些特殊磁空间群的反铁磁，即使当不考虑自旋轨道耦合效应时，也表现出自旋劈裂效应，这给利用隧穿磁电阻效应来探测反铁磁的奈尔矢量提供了新的可能性。张佳副教授研究组以D0₁₉相的非共线反铁磁材料Mn₃Sn为例，首先通过对称性分析结合第一性原理计算研究了Mn₃Sn费米面的自旋极化特征。如图2所示，他们的计算结果表明：反铁磁Mn₃Sn在动量空间表现出较强的自旋劈裂效应，并且自旋极化随着奈尔矢量的翻转发生变化，尤其是当奈尔矢量在0和180度间翻转时，自旋极化的符号也将完全翻转。

图2. 块材非共线反铁磁Mn₃Sn的原子结构顶视图和费米面自旋极化随奈尔矢量的变化

基于这类反铁磁在动量空间的自旋劈裂效应，通过构建「Mn₃Sn/势垒/Mn₃Sn」的隧道结，有望获得可观的隧穿磁电阻效应。如图3所示，该研究组构建了结构为：「Mn₃Sn/绝缘势垒/Mn₃Sn」的反铁磁隧道结，利用第一性原理量子输运方法，计算了隧道结的电阻与左右电极奈尔矢量的依赖关系。

研究发现，这种隧道结中的隧穿电阻呈现出多电阻态的特性，并且隧穿磁电阻比值可高达300%。基于这种新型的隧穿磁电阻效应，该研究组提出了如图3所示的一种全电学读取反铁磁序的理论方案。该研究组通过进一步理论分析指出，在以其他具有类似自旋劈裂效应的非共线反铁磁，如D0₁₉-Mn₃Ge，Mn₃Ga,立方相Mn₃Pt、Mn₃Ir反钙钛矿Mn₃GaN构建的隧道结中，也可以实现这种新型隧穿磁电阻效应。

图3. （左图）Mn₃Sn反铁磁隧道结的结构示意图与电子透射几率分布（右图）Mn₃Sn反铁磁隧道结的隧穿电导随奈尔矢量取向变化以及全电学读取反铁磁序的原理示意图

这项理论研究工作为利用隧穿磁电阻效应探测反铁磁序，提供了一种新的思路和方法，对反铁磁自旋电子学的发展有一定的理论指导价值。

上述研究工作得到了国防创新特区项目和国家自然科学基金的支持。

论文链接：

[1]https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.197201

[2]http://faculty.hust.edu.cn/zhangjia/zh_CN/index.htm

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