對稱性作為支配物理系統(tǒng)結構與功能的基本法則，對其主動設計與調控是開發(fā)新型信息功能器件的核心前沿之一。長期以來，對磁阻等物理效應的調控主要依賴于靜態(tài)的材料設計，使得器件功能在樣品制備完成后即被固定，缺乏可重構性。如何將對稱性從一種被動的系統(tǒng)屬性轉化為一個可主動調控的自由度，進而在單一磁性系統(tǒng)中按需實現(xiàn)不同對稱性構型（如奇對稱、偶對稱等）之間的可逆切換，成為打破現(xiàn)有范式、實現(xiàn)功能可重構器件的關鍵科學瓶頸。這不僅是對自旋電子學領域的核心挑戰(zhàn)，也觸及如何在更廣泛的物理系統(tǒng)中實現(xiàn)“功能按需編程”的普適性問題。

近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學國家重點實驗室M02課題組豐家峰副研究員和韓秀峰研究員，與大連理工大學王譯教授、同濟大學劉要穩(wěn)教授合作，首次在實驗中利用磁場對稱性（field symmetry）在NiO-Co-Pt磁異質結構中實現(xiàn)了室溫下三種不同磁阻對稱性構型之間的雙向、可逆電學調控：非對稱磁阻（AS-MR）、正向對稱磁阻（FS-MR）與反向對稱磁阻（RS-MR），如圖a所示。該NiO-Co-Pt異質結構本身因反?；魻栃憩F(xiàn)出典型的奇對稱AS-MR行為（圖b），其電阻響應滿足Rxx(H) = -Rxx(–H)。研究團隊通過精確預設磁場，成功誘導出兩種偶對稱磁阻態(tài)：FS-MR（圖c）與RS-MR（圖d）。其中，F(xiàn)S-MR滿足+Rxx(H) = +Rxx(–H), 表現(xiàn)為正負磁場方向一致的向上電阻峰，對應于雙高阻態(tài)構型；而RS-MR則遵循?-Rxx(H) = -Rxx(–H), 呈現(xiàn)為對稱的一致向下電阻峰，構成雙低阻態(tài)構型。轉換的物理機制可歸結為：在特定磁場對稱性調控下，正負磁場方向的非對稱電阻峰發(fā)生選擇性反轉，即一個磁場方向的電阻峰形發(fā)生“上-下”鏡像翻轉，而相反方向的電阻峰形保持不變（圖a）。

圖：磁場對稱性調控磁阻效應原理示意圖及實驗觀測結果 (a)磁場對稱性調控磁阻效應原理示意圖；(b) 反?；魻栃T導的非對稱磁電阻AS-MR效應；（c）可調預設磁場通過磁場對稱性實現(xiàn)非對稱磁電阻AS-MR、正向對稱磁阻FS-MR與反向對稱磁阻RS-MR間可逆轉變；（d）正向對稱磁阻FS-MR與反向對稱磁阻RS-MR間可逆轉變。

該成果的關鍵創(chuàng)新在于，創(chuàng)造性地通過預設磁場將磁場對稱性本身確立為一個獨立、可編程的序參量，從而實現(xiàn)了對磁阻響應函數(shù)拓撲構型的動態(tài)“寫入”與“擦除”。這一工作突破了傳統(tǒng)上依賴靜態(tài)材料設計來固定磁阻功能的范式，首次在單一鐵磁材料體系中展示了利用預設外場直接“裁剪”系統(tǒng)電學響應的全新路徑。這不僅為開發(fā)真正的預設場可編程自旋電子器件磁阻態(tài)提供了原理支撐，也標志著磁阻研究乃至功能材料領域從“靜態(tài)物性工程”向“動態(tài)(磁阻)對稱性控制與編程” 的范式轉變。

相關成果以“Field-Symmetry-Engineered Magnetotransport in Magnetic NiO/Co/Pt Heterostructures”為題，發(fā)表在Nano Letters雜志。中國科學院物理研究所M02組豐家峰副研究員為第一作者兼通訊作者，中國科學院物理研究所閆麗琴副研究員、同濟大學劉要穩(wěn)教授和大連理工大學王譯教授為共同通訊作者。該項研究得到了科技部國家重點研發(fā)項目和國家自然科學基金等項目的資助。

編輯：zzz