材料学院实现手性反铁磁序的零场完全翻转
新清华 2026年03月13日 第2392期 学术前沿
极高的电学翻转效率的物理根源。
本报讯 近日，材料学院宋成教授、潘峰教授团队在自旋电子学材料与器件方向取得重要进展，实现了手性反铁磁序的高效全电学完全翻转。该研究打通了手性反铁磁从基础研究走向器件应用的关键环节，为开发兼具超高密度、超快读写和低功耗特性的新一代磁存储奠定了技术基础。
研究成果以“手性反铁磁序的零场完全翻转”为题，在线发表于《自然》（Nature）期刊。
长期以来，磁存储技术的发展面临两难困境，铁磁材料在电学存储密度和电学写入速度上均有制约，反铁磁材料在电学读写中存在困难。手性反铁磁材料被视为突破当前这一瓶颈的理想材料体系，但在实际应用中仍存在挑战。
研究团队通过同质结设计整合了手性反铁磁的“非共线自旋指纹”的两个核心维度，利用非常规自旋流诱发手性反铁磁序的非常规磁动力学，实现了全电学完全翻转。该方案在具备可控的零场翻转极性的同时，效率也实现了大幅度跃升。
在此基础上，研究团队从磁八极子视角切入，破解了手性反铁磁电学翻转的“效率密码”：通过对驱动力和能垒的系统性理论分析，指出自旋极化与磁易面的倾斜几何构型能够突破长久以来的“超低的能垒和超高效的驱动力无法共存”的限制，是实现高效全电学翻转的关键。该机制对其他易面非常规磁体也具有推广意义。
本项工作打通了手性反铁磁从基础研究走向器件应用的关键环节，不仅为开发兼具超高密度、超快读写和低功耗特性的新一代磁存储奠定了技术基础，也为基于手性自旋振荡和自旋力矩二极管效应的太赫兹纳米振荡器与整流器研发提供了重要科学支撑。
值得一提的是，在研究过程中，团队克服了Mn和Sn的高挥发性、Mn3Sn晶体质量难保障等难题，通过持续优化分子束外延生长技术，实现了高质量Mn3Sn晶体的稳定生长。现阶段，团队已在开展反铁磁器件研究工作，加速推进技术从基础走向器件应用。未来有望应用于消费电子、车载电子与传感器、高性能计算与物联网等领域，满足各类环境下的高可靠数据存储需求。
宋成为论文的通讯作者，材料学院2020级博士生周致远为第一作者。
（材料学院）
