編者按：自從自旋電子學(xué)與原本無用的反鐵磁體較上勁后，反鐵磁絕緣體半導(dǎo)體的研究浪潮迭起。其中一個(gè)重要問題就是反鐵磁奈爾矢量(Néel vector) 的操控翻轉(zhuǎn)。前幾天清華大學(xué)帥哥宋成有針對手性反鐵磁的短篇科普大作《》出籠，今天又有中科院合肥固體所的帥哥邵定夫教授領(lǐng)銜之長篇科普雄文。讀者不妨放慢腳步，觀賞一番針對奈爾矢量翻轉(zhuǎn)的、真的很出彩的新風(fēng)景。

1.引子

在凝聚態(tài)物理與信息技術(shù)交匯的尖端前沿，自旋電子學(xué)正扮演著舉足輕重的角色。它不僅是打造下一代更小、更快、更低功耗存儲(chǔ)器件的核心驅(qū)動(dòng)力，更是探索基礎(chǔ)物理、揭示物質(zhì)新形態(tài)的絕佳溫床。近年來，反鐵磁材料猶如物理學(xué)界冉冉升起的新星——無論是自旋簡并的常規(guī)反鐵磁體，還是自旋劈裂的交錯(cuò)磁體與非共線反鐵磁體，都受到了廣泛關(guān)注。

反鐵磁這顆新星的“核心資產(chǎn)”，是其序參量——奈爾矢量(Néel vector)。簡單來說，反鐵磁體內(nèi)部通常由兩套(或多套)磁化方向相反的子晶格組成。這些子晶格各自磁矩的矢量差值便構(gòu)成了奈爾矢量。它之所以備受矚目，是因?yàn)槠浞较颡q如一根“物理學(xué)魔法棒”，能夠直接調(diào)控體系的空間對稱性及諸多奇特物性。

在這個(gè)微觀世界里，新奇的物理現(xiàn)象令人目不暇接：從源于波函數(shù)的量子幾何效應(yīng)，到費(fèi)米面的自旋織構(gòu)特性；從縱向的磁阻效應(yīng)，到橫向的霍爾效應(yīng)；從相對論性的自旋軌道耦合，到非相對論性的自旋動(dòng)量鎖定；甚至還有跨越了費(fèi)米統(tǒng)計(jì)的電子輸運(yùn)與玻色統(tǒng)計(jì)的磁子動(dòng)力學(xué)……。這一切令人心馳神往的新物理，都會(huì)隨著奈爾矢量方向的變化而發(fā)生劇變。更為關(guān)鍵的是，這些隨之變化的奇特物性，自然而然地成為了物理人探測奈爾矢量方向的絕佳手段，構(gòu)成了反鐵磁器件信息“讀取”的物理基石。

圖 1. 基于奈爾矢量調(diào)控的反鐵磁自旋電子學(xué)器件。

奈爾矢量的超快翻轉(zhuǎn)，可引發(fā)器件輸運(yùn)性質(zhì)的顯著變化。得益于反鐵磁體宏觀無雜散場且抵抗外加磁場干擾的本征優(yōu)勢，奈爾矢量的有效控制是實(shí)現(xiàn)超高速度、超高密度、超高穩(wěn)定性與超低功耗的新一代信息器件之物理基石。

圖片引自npj Spintronics 2, 13 (2024) [1]。

然而，要想將這些激動(dòng)人心的新物理在實(shí)驗(yàn)上予以驗(yàn)證，甚至轉(zhuǎn)化為真正可用的下一代信息器件，一個(gè)避無可避的前提是：必須能夠隨心所欲地調(diào)控奈爾矢量的方向(即實(shí)現(xiàn)信息的“寫入”)。

但理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。誠然，對于非共線反鐵磁體而言，由于體系內(nèi)(如自旋-軌道耦合等因素引發(fā)的自旋傾斜)常常伴隨著微小凈磁矩的存在，人們可以像對待“弱鐵磁體”一樣，較為方便地利用外加磁場或自旋力矩來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)調(diào)控。然而，對于最廣泛存在、相鄰磁矩嚴(yán)格補(bǔ)償?shù)墓簿€反鐵磁體而言，其宏觀凈磁化嚴(yán)格為零。這種特性，固然賦予了它們無雜散場的特性和絕佳的抗干擾能力，但也正是這種“穩(wěn)如泰山”的本性，導(dǎo)致奈爾矢量對外部磁場等常規(guī)手段極不敏感、極難得到有效調(diào)控。過去，雖然物理學(xué)家們也提出過一些電學(xué)調(diào)控的理論方案，并取得了一定的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但這些方案往往依賴于特定的材料體系。針對所有的共線反鐵磁體，提出一個(gè)奈爾矢量的普適調(diào)控機(jī)制，一直是反鐵磁自旋電子學(xué)領(lǐng)域的一大難題或者一大奢求。

最近，筆者所在團(tuán)隊(duì)提出了一種基于“非對稱自旋力矩”的奈爾矢量調(diào)控機(jī)制，看起來似乎找到了撬動(dòng)奈爾矢量這塊“頑石”的物理杠桿 [Zhang et al., Phys. Rev. Lett.136, 096702 (2026)]。借著總結(jié)這項(xiàng)研究的契機(jī)，我們重溫一下這段巧之以杠桿“四兩撥千斤”的心路歷程。

2.鐵磁老大哥是怎么被“拿捏”的？

要搞定“穩(wěn)如泰山、軟硬不吃”的反鐵磁，不妨先看看隔壁的老大哥——鐵磁體是怎么被注入自旋流產(chǎn)生自旋力矩乖乖調(diào)控的，如圖2(a) 所示。

在微觀的動(dòng)力學(xué)世界里，磁矩m的演化是由大名鼎鼎的Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) 方程來描述的：

雖然這個(gè)方程看起來飄著各種叉乘符號(hào)，但它其實(shí)只講述了一場不同力矩之間的激烈“拔河比賽” (圖2(b))：

? 進(jìn)動(dòng)與阻尼(守門員)：方程的前兩項(xiàng)，分別是磁矩繞著自身有效場(Heff，主要由磁各向異性能提供)的進(jìn)動(dòng)項(xiàng)和阻尼項(xiàng)。這兩位“守門員”盡職盡責(zé)，致力于把磁矩死死維持在能量最低的易磁化軸上。

? 類場力矩(搗亂者)：形式為τFL~m×p(p是注入自旋的極化方向)。它就像一個(gè)額外的輔助磁場，總在試圖讓磁矩偏離平衡位置。

? 類阻尼力矩(主攻手)：形式為τDL~m× (m×p)。這是真正能夠克服阻尼、推動(dòng)磁矩跨過能量勢壘、并完成磁矩徹底翻轉(zhuǎn)的絕對主力。

當(dāng)外加的自旋力矩，即上述主攻手，在競爭中戰(zhàn)勝了“守門員”(有效場和阻尼)，磁矩就會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

燒腦的理論公式到此結(jié)束。實(shí)際上，這套動(dòng)力學(xué)方程背后的物理圖像極其簡單：就是注入的自旋與局域磁矩發(fā)生“自旋角動(dòng)量交換”。如果忽略掉那些繁雜的中間演化過程，只看開頭和結(jié)尾，結(jié)果一目了然，如圖 2(c) 所示：

(1) 如果磁矩初始朝上(+z)，我們向它注入極化方向朝下(-z) 的自旋流。角動(dòng)量交換發(fā)生后，磁矩就像被迎面一記重拳，直接被“砸”到了–z 方向。這對應(yīng)著最經(jīng)典的自旋轉(zhuǎn)移力矩(spin-transfer torque, STT)。

(2) 如果我們注入的自旋極化沿面內(nèi)y 方向，角動(dòng)量交換會(huì)把磁矩死死拉向y 方向。但問題是，一斷電，由于y 方向本身不穩(wěn)定，磁矩可能會(huì)隨機(jī)倒向+z 或–z。此時(shí)，需要加一個(gè)x 方向的微小輔助磁場來打破這種平衡，保證斷電后磁矩便會(huì)順勢倒向–z方向。這就對應(yīng)著目前已經(jīng)得到一定應(yīng)用的常規(guī)自旋軌道力矩(spin-orbital torque, SOT)。

(3) 如果我們注入的自旋“不那么規(guī)矩”，既有面內(nèi)的y 分量，又帶有面外的z 分量，角動(dòng)量交換就會(huì)讓原本朝上的磁矩被拉得斜著向下。此時(shí)只要一斷電，自然就穩(wěn)穩(wěn)地落入–z 的懷抱，完成翻轉(zhuǎn)。這便對應(yīng)著目前得到廣泛研究的非常規(guī)自旋軌道力矩。

看，無論中間的過程多么眼花繚亂，只要掌握了“角動(dòng)量交換”的訣竅，鐵磁老大哥就能被輕松拿捏。那么，帶著這套成熟的“拿捏手段”去對付反鐵磁，行得通嗎？

圖 2. 自旋力矩的物理機(jī)制與磁矩調(diào)控。

(a) 自旋力矩的核心物理機(jī)制：注入的自旋與局域磁矩發(fā)生自旋角動(dòng)量交換。(b) LLG 方程：進(jìn)動(dòng)與阻尼(守門員)、類場力矩(搗亂者) 與類阻尼力矩(主攻手) 的激烈競爭。(c) 垂直鐵磁磁矩的自旋力矩調(diào)控：STT 直接將磁矩從+z 翻轉(zhuǎn)到–z；常規(guī) SOT 將磁矩從+z 拉到y(tǒng) 方向，如果施加一個(gè)x 方向的磁場Hx，可以引導(dǎo)磁矩在關(guān)閉電流脈沖后翻轉(zhuǎn)到–z；非常規(guī)SOT 將磁矩拉到斜向下的方向，關(guān)閉電流脈沖后，磁矩順勢翻轉(zhuǎn)到–z。(d) 在反鐵磁兩個(gè)磁矩上施加相同的自旋極化，產(chǎn)生地類阻尼力矩導(dǎo)致奈爾矢量會(huì)在垂直于自旋極化的平面內(nèi)一直高速旋轉(zhuǎn)。(e) 在反鐵磁兩個(gè)磁矩上施加相同的自旋極化，產(chǎn)生的類場力矩導(dǎo)致奈爾矢量發(fā)生高速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)到自旋極化方向時(shí)，力矩消失，旋轉(zhuǎn)停止，從而將奈爾矢量確定性地翻轉(zhuǎn)到自旋極化的方向上。

圖(a,b)引自[A. Brataas, et al., Nature Mater 11, 372 (2012)] [2]。圖(d) 引自npj Spintronics 2, 13 (2024) [1]。

3.反鐵磁調(diào)控的“迷局”

反鐵磁和鐵磁的一個(gè)巨大不同在于：反鐵磁磁矩之間存在著極其強(qiáng)烈的交換場(Hex)。一個(gè)磁矩感受到的交換場，與另一個(gè)磁矩的方向是平行的。所以，當(dāng)兩個(gè)磁矩完美反平行的時(shí)候，形式為m×Hex 的交換力矩嚴(yán)格為0。

但是，假定有外力(比如均勻注入的自旋流產(chǎn)生的類阻尼力矩)試圖把這兩個(gè)反平行的磁矩往同一個(gè)方向拉，讓它們稍微“翹起來”一點(diǎn)點(diǎn)，使得磁矩不再完美反平行。如此，m×Hex 這個(gè)叉乘就不再為0。此時(shí)，兩個(gè)磁矩會(huì)瞬間產(chǎn)生大小相等、方向相反的巨大交換力矩。由于交換場非常龐大，這個(gè)交換力矩會(huì)直接帶動(dòng)奈爾矢量發(fā)生太赫茲(THz) 級別的高速振蕩，但無法實(shí)現(xiàn)單軸各向異性反鐵磁體的確定性翻轉(zhuǎn) (圖2(d))。

當(dāng)然，這種振蕩機(jī)制并非毫無用武之地。過去的研究表明，基于這種機(jī)制可以翻轉(zhuǎn)具有多軸各向異性的反鐵磁體系。例如，假設(shè)材料的易磁化軸同時(shí)存在于x 軸和y 軸，那么通過施加一個(gè)沿x 方向的自旋極化，巨大的交換力矩會(huì)讓奈爾矢量在yz 平面內(nèi)持續(xù)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)釋放掉電流后，奈爾矢量就會(huì)順勢停留在能量較低的y 軸上。但遺憾的是，這種方式無法確定它最終是指向+y 還是–y 方向，仍然不夠“確定性”。

后來，人們發(fā)現(xiàn)，對具有中心反演與時(shí)間反演聯(lián)合對稱性(PT對稱性) 的材料，Edelstein 效應(yīng)可以給兩個(gè)子晶格施加完全相反的自旋極化。這樣一來，類場力矩就會(huì)拉動(dòng)兩個(gè)磁矩“翹起來”，讓交換力矩帶動(dòng)奈爾矢量進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)到磁矩和自旋極化平行的方向時(shí)，類場力矩消失。此時(shí)，奈爾矢量的旋轉(zhuǎn)停止，確定性翻轉(zhuǎn)得以實(shí)現(xiàn) (圖2(e))。

這個(gè)過程，雖然比鐵磁的動(dòng)力學(xué)行為復(fù)雜得多，但如果忽略繁雜的中間環(huán)節(jié)，仍然可以用極簡的“角動(dòng)量交換”圖像來直觀理解：當(dāng)兩個(gè)子晶格截獲的自旋積累相同時(shí)，角動(dòng)量交換只能讓磁矩同向移動(dòng)引發(fā)振蕩。這顯然無法滿足奈爾矢量的確定性翻轉(zhuǎn)需求。而當(dāng)自旋積累嚴(yán)格相反時(shí)，角動(dòng)量交換則順應(yīng)了反平行磁矩的習(xí)性，將兩個(gè)磁矩分別拉向設(shè)定的極化方向，從而水到渠成地實(shí)現(xiàn)了奈爾矢量的確定性翻轉(zhuǎn)。

這看起來似乎是一條切實(shí)可行的電學(xué)調(diào)控出路。然而，現(xiàn)實(shí)的阻力依然巨大：這種要求自旋積累“嚴(yán)格相反”的對稱性條件過于苛刻。目前，該機(jī)制僅在極少數(shù)特定的反鐵磁金屬(如CuMnAs 和Mn2Au) 中得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。更為遺憾的是，在這些實(shí)驗(yàn)中，往往只觀測到了變化僅0.1% 量級左右的電輸運(yùn)信號(hào)，距離真正滿足實(shí)際器件的高效應(yīng)用仍有著不小的鴻溝。

面對“相同極化”引發(fā)振蕩、“相反極化”條件苛刻的迷局，物理學(xué)家們開始另辟蹊徑，探索引入額外的對稱性破缺來實(shí)現(xiàn)調(diào)控。例如，宋成老師通過應(yīng)變工程引入了Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) 相互作用[Z. Zhou, et al., Nature638, 645 (2025)] [3]；羅昭初老師選擇具有凈磁矩的反鐵磁體系[H. Guo et al., Nat. Commun.16, 8911 (2025)]。他們都成功實(shí)現(xiàn)了奈爾矢量的確定性翻轉(zhuǎn)。但是，作為理論工作者，筆者通常比較“貪心”，總是想找到一種普適的機(jī)制，讓物理人在即使沒有上述因素的反鐵磁體系中依然能自如地調(diào)控奈爾矢量。

4.實(shí)空間反鐵磁子晶格堆疊中隱藏的秘密

過去的研究，大多基于全局的宏觀對稱性和動(dòng)量空間的能帶結(jié)構(gòu)。在分析材料的宏觀輸運(yùn)特性時(shí)，動(dòng)量空間的物理圖像確實(shí)極其有效——近年來交錯(cuò)磁體的興起，正是這一方法的成功典范。然而，自旋力矩本質(zhì)上源于注入的自旋與材料內(nèi)部局域磁矩之間發(fā)生的角動(dòng)量交換。僅僅依靠動(dòng)量空間的宏觀圖像，無法精確刻畫材料內(nèi)部真實(shí)的微觀局域輸運(yùn)行為。因此，過去的工作，往往默認(rèn)宏觀輸運(yùn)性質(zhì)在材料內(nèi)部是均勻分布的，也就導(dǎo)致了“注入自旋后，兩個(gè)子晶格截獲的自旋積累必然相同”的固有印象。

2021年，我們基于動(dòng)量空間的物理圖像，提出了“動(dòng)量分辨自旋極化”的反鐵磁隧道磁阻機(jī)制[Nat. Commun.12, 7061 (2021)] [5]。該機(jī)制隨后陸續(xù)得到實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，實(shí)現(xiàn)了大開關(guān)比的隧道磁阻信號(hào)，有望徹底解決反鐵磁自旋電子學(xué)中高信噪比的信息“讀取”難題。既然“讀”已不是問題，我們自然就將重心轉(zhuǎn)向了“寫”：

到底怎樣才能實(shí)現(xiàn)反鐵磁奈爾矢量的高效、確定性調(diào)控？

為了解決這一問題，我們決定跳出動(dòng)量空間的宏觀視角，一頭扎進(jìn)實(shí)空間中去(編者按：物理人的獨(dú)門絕技之一就是動(dòng)量空間說事，但定夫老師偏不信這個(gè)邪！)。反鐵磁的實(shí)空間子晶格結(jié)構(gòu)，其實(shí)非常豐富多彩，如圖 3(a) 所示。打個(gè)比方，有的像3D國際象棋棋盤，相鄰的磁矩全都相反(G型反鐵磁)；有的像千層蛋糕，層內(nèi)磁矩平行排列，層間反平行(A型反鐵磁)；還有的像一根根面條，磁矩在一維鏈內(nèi)平行，鏈間反平行(C型反鐵磁)。面對這些五花八門的原子網(wǎng)絡(luò)，我們不禁開始思考：當(dāng)電子在里面奔跑時(shí)，難道真的是對所有磁矩“一視同仁”的嗎？

圖 3. 反鐵磁體實(shí)空間子晶格堆疊結(jié)構(gòu)與局域自旋輸運(yùn)特性。

(a) 豐富多彩的反鐵磁實(shí)空間子晶格堆疊構(gòu)型：最近鄰磁矩反平行的G 型、層內(nèi)平行層間反平行的A 型、一維鏈內(nèi)平行的C 型、新近發(fā)現(xiàn)的十字交叉的X 型結(jié)構(gòu)[Newton 1, 100068 (2025)]。(b) “奈爾自旋流”的物理圖像：在A 型或C 型等結(jié)構(gòu)中，一束全局看似自旋中性的電流，在微觀尺度上化身為交錯(cuò)極化的“并聯(lián)電路”；自旋向上的電子偏好走A 子晶格，自旋向下的電子偏好走B 子晶格 [Phys. Rev. Lett. 130, 216702 (2023)]。(c) 不同反鐵磁堆疊結(jié)構(gòu)帶來的局域自旋輸運(yùn)行為：在G 型堆疊中，電流主要由自旋中性的子晶格間躍遷主導(dǎo)；在C 型與A 型堆疊中，交錯(cuò)的奈爾自旋流在反平行的鏈內(nèi)/ 層內(nèi)流淌；在極端的X 型堆疊中，沿特定鏈方向的電流甚至完全由孤立的單子晶格奈爾自旋流貢獻(xiàn)；而在基于A 型堆疊的器件中，界面物理截?cái)嗤癸@，由界面驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生自旋相關(guān)的隧傳穿電流 [Newton 1, 100142 (2025)]。

順著這個(gè)思路，我們提出了“奈爾自旋流(Néel spin currents)”的概念，如圖 3(b) 所示：在某些反鐵磁體中，一束全局看似自旋中性的電流，其實(shí)可以看作是一個(gè)“并聯(lián)電路” [D. -F. Shao, et al., Phys. Rev. Lett.130, 216702 (2023)] [6]。自旋向上的電子偏好走A 子晶格，自旋向下的電子偏好走B 子晶格。結(jié)果就是，在反鐵磁體內(nèi)部的不同磁性子晶格中，實(shí)際上流淌著交錯(cuò)式的、高度極化的自旋流！由于A 型和C 型磁性子晶格具有低維特性(如層狀或鏈狀)，自旋極化的電子輸運(yùn)往往被局限在特定的子晶格空間內(nèi)，這便成了孕育奈爾自旋流的理想溫床。

沿著這一實(shí)空間脈絡(luò)，我們還發(fā)現(xiàn)了更為極端的“X型反鐵磁體”[S. -S. Zhang et al., Newton1, 100068 (2025)] [7]。在這一全新的堆疊類型中，它的兩個(gè)子晶格形成了十字交叉的鏈狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)電流沿特定方向傳輸時(shí)，電子甚至可以完全繞開其中一個(gè)子晶格，實(shí)現(xiàn)令人驚嘆的單子晶格自旋輸運(yùn)運(yùn)，如圖 3(a,c) 所示。

這些生動(dòng)的例子，無一不在向我們宣告一個(gè)被長期忽視的真相：在反鐵磁體內(nèi)部，局域自旋輸運(yùn)行為極其豐富多彩，絕非過去簡單假定的“均勻分布”！

更妙的是，這個(gè)實(shí)空間的局域視角，不僅為我們指明了怎么“寫”，還給如何“讀”帶來了全新啟發(fā)。它清楚地告訴我們，在某些堆疊結(jié)構(gòu)和特定的輸運(yùn)方向下，反鐵磁體內(nèi)部可以完全沒有與自旋相關(guān)的體相輸運(yùn)性質(zhì)。此時(shí)，由于異質(zhì)結(jié)界面的物理截?cái)?，界面的局域自旋極化就會(huì)“喧賓奪主”凸顯出來[L. Yang, et al., Newton1, 100142 (2025)] [8]?；谶@一思路，我們與實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)合作，利用二維范德華A型反鐵磁體(Fe,Co)5GeTe2，成功構(gòu)建了全共線反鐵磁隧道結(jié)，并在實(shí)驗(yàn)上觀測到了基于界面極化、高達(dá)75 % 的隧道磁阻效應(yīng)[W. -M. Zhao et al., Nat. Commun.17, 268 (2026)] [9]。這意味著，只要玩轉(zhuǎn)了實(shí)空間，哪怕是自旋處處簡并的常規(guī)反鐵磁體，也同樣極具應(yīng)用價(jià)值。

5. “四兩撥千斤”的非對稱自旋力矩

當(dāng)我們將視角從理想的宏觀晶體切換到真實(shí)的微觀器件中，一切就豁然開朗起來。在真實(shí)的物理世界里，自旋流的注入，必須經(jīng)過異質(zhì)結(jié)界面。而界面，天然是一道物理截?cái)?，破壞了空間對稱性，有可能導(dǎo)致反鐵磁的兩個(gè)子晶格截獲的自旋積累出現(xiàn)不對稱。例如，向 A 型反鐵磁體注入自旋流時(shí)，越靠近界面的磁層，截獲到的自旋積累自然越多，遠(yuǎn)處的則越少，如圖 4(b) 所示。而在更極端的X 型反鐵磁體中，沿著特定方向甚至可以直接實(shí)現(xiàn)單個(gè)子晶格的自旋積累，如圖 4(c) 所示。同樣地，只要薄膜器件內(nèi)部破缺某種(可能是嚴(yán)苛的)對稱性(如中心反演與時(shí)間反演聯(lián)合對稱性PT 、或時(shí)間反演和平移的聯(lián)合對稱性Tt)，體相的 Edelstein 效應(yīng)也必然導(dǎo)致兩個(gè)磁矩的自旋積累出現(xiàn)差異。

一句話，理論上往往苛求的“嚴(yán)格相同”或“嚴(yán)格相反”，在現(xiàn)實(shí)的器件結(jié)構(gòu)中是極難維持的。非對稱的自旋積累，才是反鐵磁器件中的常態(tài)！

圖 4. 實(shí)空間非對稱自旋積累的產(chǎn)生及其“四兩撥千斤”的物理圖像。

(a-c) 注入自旋流在不同反鐵磁堆疊結(jié)構(gòu)中截獲的局域自旋積累現(xiàn)象：G 型反鐵磁體中表現(xiàn)為相同的自旋積累 (a)；而在A 型 (b) 和更為極端的X 型 (c) 反鐵磁體中，則不可避免地呈現(xiàn)出高度非均勻、不對稱的自旋積累。 (d-e) 反鐵磁自旋力矩的“天平模型”：當(dāng)兩端放置完全相同重量的砝碼(對應(yīng)相同自旋積累) 時(shí)，天平保持水平，無法傾倒(對應(yīng)奈爾矢量翻轉(zhuǎn)) (d)；兩端重量出現(xiàn)差別(對應(yīng)非對稱自旋積累)，天平發(fā)生傾倒(對應(yīng)奈爾矢量的確定性翻轉(zhuǎn)) (e)。

對此，可以用一個(gè)天平來做生動(dòng)的類比：兩端放著完全相同質(zhì)量的砝碼(相同自旋積累)，不管您怎么往下按，天平只會(huì)劇烈晃動(dòng)(對應(yīng)反鐵磁的高頻振蕩) 而不會(huì)徹底翻轉(zhuǎn)，如圖 4(d) 所示。但是，只要兩端重量(未必是質(zhì)量)出現(xiàn)哪怕一絲一毫的不同(非對稱自旋積累)，天平立刻就會(huì)打破平衡，順勢傾倒，如圖 4(e) 所示。

我們對此物理圖像進(jìn)行了詳細(xì)的解析推導(dǎo)與宏觀自旋模擬，發(fā)現(xiàn)正是這種非對稱自旋力矩機(jī)制，撬動(dòng)了奈爾矢量這塊“頑石”。根據(jù)非對稱自旋積累的極化方向，體系會(huì)呈現(xiàn)出幾種清晰的確定性穩(wěn)定解，與前面提到的“鐵磁老大哥”的翻轉(zhuǎn)圖像簡直如出一轍 (圖 5)：

(1) –z 極化：就像鐵磁中經(jīng)典STT 那般，能將奈爾矢量干凈利落地直接翻轉(zhuǎn)到–z 方向。

(2) 既有y 極化又有–z 極化：能將奈爾矢量拉到一個(gè)斜著向下的穩(wěn)態(tài)。一旦斷電，它自然就會(huì)落入–z 的懷抱，完成翻轉(zhuǎn)(對應(yīng)非常規(guī)SOT)。

(3) y 極化：這里的情況最為有趣。y 極化理論上會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)穩(wěn)定的解。其中一個(gè)解，對應(yīng)著傾斜的奈爾矢量(可以斜向上也可以斜向下)。雖然“斜向下”的態(tài)看似很有用，但這兩種傾斜狀態(tài)在能量上是簡并的，在實(shí)際的熱漲落等擾動(dòng)下會(huì)交替出現(xiàn)，極難穩(wěn)定控制。因此，真正在實(shí)驗(yàn)中可控且有用的，是第二個(gè)解：奈爾矢量被完全拉到y(tǒng) 方向。

圖 5. 反鐵磁非對稱自旋力矩與鐵磁體調(diào)控模式的對應(yīng)關(guān)系。

理論分析表明，非對稱自旋積累的極化方向決定了奈爾矢量的穩(wěn)態(tài)解：–z 極化(對應(yīng)STT，奈爾矢量直接翻轉(zhuǎn)到–z 方向)、y 極化(對應(yīng)常規(guī)SOT，奈爾矢量被拉到y(tǒng) 方向；結(jié)合輔助磁場，在電流關(guān)閉后翻轉(zhuǎn)到–z 方向) 和既有y 極化又有–z 極化的情況(對應(yīng)非常規(guī)SOT，奈爾矢量被拉到斜向下的方向，關(guān)閉電流后順勢翻轉(zhuǎn)到–z 方向)，均可實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)鐵磁體類似的確定性翻轉(zhuǎn)模式。

根據(jù)我們的理論推導(dǎo)，在這個(gè)朝向y 方向的穩(wěn)態(tài)下，如果像調(diào)控鐵磁體那樣，施加一個(gè)面內(nèi)的輔助磁場(Hx)，則這個(gè)磁場會(huì)在兩個(gè)子晶格上產(chǎn)生沿著z軸、大小相等方向相反的力矩，從而在–z 方向誘導(dǎo)出一個(gè)微小但極度確定的奈爾矢量分量，如圖 6(a) 所示。斷電后，這個(gè)微小的z 分量就成了精準(zhǔn)的“向?qū)А?，引領(lǐng)奈爾矢量確定性地翻轉(zhuǎn)到目標(biāo)方向，如圖 6(b) 所示。這一圖像，極其類似于常規(guī)SOT 加場輔助翻轉(zhuǎn)鐵磁垂直磁矩的過程。

不過，這里隱藏著一個(gè)反鐵磁獨(dú)有的巨大殺手锏：在傳統(tǒng)鐵磁體中，如果施加一個(gè)很大的Hx，它會(huì)簡單粗暴地把磁矩強(qiáng)行拉向x 方向，從而徹底破壞翻轉(zhuǎn)。但在反鐵磁體中，這個(gè)輔助磁場可以加到非常大！這是因?yàn)榉磋F磁內(nèi)部那股曾讓我們頭疼不已的、極其強(qiáng)烈的“交換耦合”力量，此刻變成了最堅(jiān)固的護(hù)盾——它死死保護(hù)著磁矩不被外場影響。在我們的模擬中，即使施加了高達(dá)10 倍于各向異性場的Hx，奈爾矢量的翻轉(zhuǎn)依然如比薩斜塔的落球般不受影響，如圖 6(c) 所示。

圖 6. 大磁場輔助下的非對稱SOT翻轉(zhuǎn)。

(a) 當(dāng)奈爾矢量處于y 方向時(shí)，沿著x 方向的面內(nèi)輔助磁場在兩個(gè)子晶格上產(chǎn)生大小相等、方向相反的z 方向力矩，從而引導(dǎo)奈爾矢量在關(guān)閉電流后實(shí)現(xiàn)確定性翻轉(zhuǎn)的物理圖像。(b, c) 宏觀自旋動(dòng)力學(xué)模擬表明，在小磁場 (b) 和高達(dá)10 倍各向異性場的超大磁場 (c) 下，奈爾矢量均能順利翻轉(zhuǎn)。這是因?yàn)榉磋F磁內(nèi)部極其強(qiáng)烈的“交換耦合”在此刻化身為最堅(jiān)固的護(hù)盾，有效抵御了大磁場對磁矩的影響，保護(hù)翻轉(zhuǎn)過程不被干擾甚至破壞。(d) 理論機(jī)制與前沿實(shí)驗(yàn)的完美吻合：物理所韓秀峰老師團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了A 型反鐵磁體(Cr2O3)垂直奈爾矢量的場輔助SOT 翻轉(zhuǎn)，且該翻轉(zhuǎn)在高達(dá) 3 T 的巨大面內(nèi)磁場下依然照常進(jìn)行[W. He et al., Nat. Electron. 7, 975 (2024)] 。

令人振奮的是，這一直觀的物理圖像，與中國科學(xué)院物理所韓秀峰老師團(tuán)隊(duì)近期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[W. He et al., Nat. Electron.7, 975 (2024)] 完美吻合。他們將自旋流注入到A 型反鐵磁體Cr2O3中，實(shí)現(xiàn)了加場輔助垂直奈爾矢量翻轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，這一翻轉(zhuǎn)即使在高達(dá)3 T 的巨大面內(nèi)輔助磁場下，依然能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)，如圖 6(d) 所示。這種理論與實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)絲合縫，讓我們對非對稱自旋力矩機(jī)制的普適性充滿信心。

6.結(jié)語

從探究宏觀全局對稱性，到深入于實(shí)空間的局域微觀輸運(yùn)過程，我們梳理了反鐵磁內(nèi)部豐富多彩的輸運(yùn)細(xì)節(jié)，打破了“對稱自旋積累”的思想定式，建立了一套適用于反鐵磁體系的“非對稱力矩調(diào)控”普適機(jī)制。這一機(jī)制，為連接傳統(tǒng)的鐵磁自旋電子學(xué)與下一代反鐵磁自旋電子學(xué)，提供了一條切實(shí)可行的理論路徑。它向我們宣告：鐵磁體中那些成熟且曾經(jīng)輝煌的調(diào)控手段(如STT、SOT)，在引入適當(dāng)?shù)姆菍ΨQ性后，完全可以“無縫移植”并完美應(yīng)用于奈爾矢量這塊曾經(jīng)的“頑石”之上，從而延續(xù)那般“輝煌”。

展望未來，這套“四兩撥千斤”的調(diào)控哲學(xué)，將大有可為：物理人可以通過選擇合適的材料體系、設(shè)計(jì)特定的晶體生長方向、優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的器件結(jié)構(gòu)，來隨心所欲地控制自旋積累的非對稱性。通過進(jìn)一步結(jié)合Dzyaloshinskii-Moriya (DM) 相互作用、微小凈磁矩或新興的軌道力矩(orbital torque)，高效的奈爾矢量調(diào)控將不再是望洋興嘆。更令人期待的是，通過設(shè)計(jì)注入自旋的極化方向，甚至可以利用非對稱自旋力矩，將奈爾矢量“硬生生”地穩(wěn)定在遠(yuǎn)離易磁化軸的任意方向上，從而解鎖基態(tài)下原本不存在的新奇物理效應(yīng)。

我們希望，這一非對稱自旋力矩機(jī)制，能成為探索反鐵磁新物理的“探照燈”，為最終實(shí)現(xiàn)反鐵磁自旋器件中高效、精確的信息“寫入”提供理論指導(dǎo)。

這一工作剛剛發(fā)表于 PRL 上。非對稱自旋力矩機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，完全歸功論文第一作者、中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院博士生張水森同學(xué)。水森即將畢業(yè)，預(yù)祝他未來做出更大的貢獻(xiàn)。

最后指出，本文描述可能多有夸張、不周之處，敬請讀者諒解。對詳細(xì)內(nèi)容感興趣的讀者，可點(diǎn)擊文尾的“閱讀原文”而御覽論文原文。

Deterministic switching of the Néel vector by asymmetric spin torque

Shui-Sen Zhang(張水森), Zi-An Wang(王子安), Bo Li(李博), Wen-Jian Lu(魯文建) Mingliang Tian(田明亮), Yu-Ping Sun(孫玉平), Haifeng Du(杜海峰) & Ding-Fu Shao(邵定夫)

Physical Review Letters136, 096702 (2026)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/fkyr-z5b8

附：文中提到的相關(guān)參考文獻(xiàn)

[1]. D.-F. Shao and E. Y. Tsymbal, Antiferromagnetic tunnel junctions for spintronics, npj Spintronics 2, 1 (2024).

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[13]. W. He et al., Electrical switching of the perpendicular Néel order in a collinear antiferromagnet, Nat. Electron. 7, 975 (2024)

玉堂春·梅聲

未蘇灣畔

卻有紅顏浪漫

綴在崖垠，只顧銜歡

弄雨凌風(fēng)，吐著純鮮艷，哪管寒荒侵滿園

正是冬春輪換，三元開始間

便奉初心

更奉初花瓣

還奉梅聲響耳邊

(1) 筆者邵定夫，任中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體物理所研究員。團(tuán)隊(duì)主頁：https://shao.dingfu.group/。筆者近年來一直從事磁學(xué)、自旋電子學(xué)理論研究，目前正在招聘博士后與其一起在相關(guān)領(lǐng)域“開腦洞”。歡迎凝聚態(tài)理論、計(jì)算方向的青年人才聯(lián)系：dfshao@issp.ac.cn。

(2) 小文標(biāo)題“非對稱撬動(dòng)奈爾矢量：好個(gè)四兩撥千斤”乃宣傳式的言辭，不是物理上嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f法。在此，該比喻蘊(yùn)含著兩層核心物理圖像：其一，是指自旋積累的微小不對稱性(“四兩”)，足以打破傳統(tǒng)對稱機(jī)制下的動(dòng)力學(xué)僵局，引發(fā)奈爾矢量確定性翻轉(zhuǎn)的巨大宏觀響應(yīng)(“千斤”)；其二，是指在量級上極其微弱的外加自旋力矩(“四兩”)，巧妙地借助了物理杠桿，成功撬動(dòng)了受極強(qiáng)內(nèi)部交換耦合保護(hù)的反鐵磁序(“千斤”)。

(3) 文底圖片來自筆者團(tuán)隊(duì)，乃根據(jù)“四兩撥千斤”的天平模型 [圖4(d,e)] 用AI生成。文底小詞 (20260217) 由編者 Ising 添加，原本寫丙午馬年三元之始的梅聲陣陣。這里不妨用來表達(dá)本文筆者給反鐵磁自旋電子學(xué)領(lǐng)域帶來的梅聲：梅花本身也許不能用來制造成什么可用物品，但此“梅花之聲”卻能激勵(lì)實(shí)驗(yàn)物理人去做出可控的反鐵磁自旋電子學(xué)器件^_^！

(4) 封面圖片乃由筆者團(tuán)隊(duì)繪制，展示了非對稱自旋力矩調(diào)控奈爾矢量的幾種模式。

文章轉(zhuǎn)載自“量子材料QuantumMaterials”微信公眾號(hào)